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Ana Mafalda Castanheira Meireles

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NOVOS BODIPY’S PARA APLICAÇÃO EM SISTEMAS ORGÂNICOS

FOTOVOLTAICOS

Mestrado em Química

Departamento de Química

FCTUC

2016

Ana Mafalda Castanheira Meireles

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NOVOS

BODIPY’s PARA APLICAÇÃO EM SISTEMAS

ORGÂNICOS FOTOVOLTAICOS

Dissertação apresentada para provas de Mestrado em Química, Área de

especialização em Controle de Qualidade e Ambiente

Orientador: Prof. Dr. Abílio José Fraga do Nascimento Sobral

Julho de 2016

Universidade de Coimbra

Esta tese foi escrita sem o novo Acordo Ortográfico.

“A felicidade não se resume na ausência de problemas, mas sim, na sua capacidade de

lidar com eles.”

Albert Einstein

Agradecimentos

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao meu orientador, Professor Doutor Abílio

José Fraga do Nascimento Sobral, por me ter aceite para realizar este estágio sob a sua

orientação, pelo seu apoio e pela sua disponibilidade ao longo do projeto.

Agradeço à FCT/QREN-COMPETE o apoio financeiro através do projeto PTDC/AAC-

CLI/118092/2010 (coordenado pelo Professor Doutor Abílio Sobral) e ao Centro de Química

(Coimbra Chemistry Centre), através do Projecto Estratégico UID/QUI/00313/2013.

Um especial agradecimento ao Mestre António Luís Aguiar, pela ajuda no laboratório,

pela paciência, amizade, companhia e pelos conselhos transmitidos no decorrer de todo o ano

lectivo.

Agradeço ao Professor Doutor Jorge Morgado e ao Mestre Ricardo Oliveira do Instituto

de Telecomunicações (Organic Electronics Laboratory) do Instituto Superior Técnico da

Universidade de Lisboa, pela ajuda na montagem e teste às células solares orgânicas.

Agradeço ao Professor Doutor Christopher Brett e à Doutora Madalina Barsan o apoio

nos estudos de voltametria cíclica.

Agradeço ao Professor Doutor Sérgio Seixas de Melo e ao Doutor João Pina pelo apoio

nos estudos fotofísicos, à Professora Doutora Ermelinda Eusébio e ao Doutor Osvaldo Évora o

apoio no FTIR-ATR e no DSC.

Agradeço ao Mestre Pedro Cruz, os dados de RMN recolhidos na unidade de UC-RMN,

que é apoiada em parte pelo FEDER – Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional através do

Programa COMPETE (Programa Operacional Factores de Competitividade), e por fundos

nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia através de subsídio

REEQ/481/QUI/2006, RECI/QEQ-QFI/2012, CENTRO-07-CT62-FEDER-002012 e Rede

Nacional de Ressonância Magnética Nuclear (RNRMN).

Agradeço a todos os meus amigos pelos mais variados momentos partilhados e aos

colegas de grupo pela sua companhia no laboratório e simpatia.

Por fim, porém não menos importante, agradeço aos meus pais, às minhas sisters e ao

meu namorado, por todo o apoio que me deram durante todos estes anos académicos. É o fim de

uma etapa mas o início de outra.

A todos vocês, o meu mais sincero obrigado.

Síntese e caracterização de novos BODIPY’s para aplicação em sistemas orgânicos fotovoltaicos

i

Índice

Símbolos e abreviaturas .............................................................................................................. iii

Lista de figuras ............................................................................................................................... x

Lista de tabelas ........................................................................................................................... xiv

Resumo ......................................................................................................................................... xv

Abstract ...................................................................................................................................... xvii

Capítulo 1: Introdução ................................................................................................................... 1

1.1 Energia e sociedade ............................................................................................................. 1

1.1.1 Energias não renováveis ................................................................................................. 1

1.1.2 Energias renováveis ........................................................................................................ 3

1.2 Células Fotovoltaicas ............................................................................................................. 5

1.2.1 Células solares orgânicas ............................................................................................. 8

1.2.2 Parâmetros das células solares ...................................................................................... 11

1.3 BODIPY’s ........................................................................................................................... 13

1.3.1 Aplicação de moléculas activas de BODIPY em células solares orgânicas ................. 15

Capítulo 2: Objectivos e Planeamento .......................................................................................... 19

Capítulo 3: Resultados e Discussão ............................................................................................ 23

3.1 Síntese e caracterização de aldeídos .................................................................................... 23

3.2 Síntese de BODIPY’s .......................................................................................................... 33

3.2.1 Caracterização fotofísica e electroquímica de BODIPY’s ........................................... 43

3.3 Estudo da aplicação de BODIPY’s em células solares orgânicas ....................................... 49

Capítulo 4: Conclusões ................................................................................................................. 57

Capítulo 5: Secção Experimental ................................................................................................ 59

5.1 Solventes e Reagentes ......................................................................................................... 59

5.2 Instrumentação..................................................................................................................... 60

5.2.1 Espectroscopia de Ultravioleta-Visível (UV-Vis) ........................................................ 60

5.2.2 Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) ........................................ 60

5.2.3 Espectroscopia de Infravermelho (FTIR-ATR) ............................................................ 60

5.2.4 Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC) ........................................................... 60

5.2.5 Medidas fotofísicas do estado estacionário .................................................................. 61


ii

5.2.6 Voltametria cíclica ....................................................................................................... 61

5.2.7 Preparação das células fotovoltaicas e medições de voltagem-corrente ..................... 61

5.3 Métodos de síntese de aldeídos........................................................................................... 63

5.3.1 Composto (1) - Ald-OH ............................................................................................... 63

5.3.2 Composto (2) - Ald-C12 .............................................................................................. 64

5.3.3 Composto (3) - Ald-C12Br .......................................................................................... 65

5.3.4 Composto (4) - Ald-Catiónico ..................................................................................... 66

5.4 Métodos de síntese de BODIPY’s ...................................................................................... 67

5.4.1 Composto (5) - Bodipy-OH ......................................................................................... 67

5.4.2 Composto (6) - Bodipy-C12 ........................................................................................ 68

5.4.3 Composto (7) - Bodipy-C12Br .................................................................................... 69

5.4.4 Composto (8) - Bodipy-Mono-Catiónico .................................................................... 70

5.4.5 composto (9) - Bodipy-Catiónico ................................................................................ 71

Referências .................................................................................................................................. 73


iii

Símbolos e abreviaturas(*)(**)

1H-RMN Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de hidrogénio

19F-RMN Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de fluor 19

Ald-C12 3,5-bis(dodecyloxy)benzaldehyde

Ald-C12Br 3,5-bis((12-bromododecyl)oxy)benzaldehyde

Ald-Catiónico 12,12’-((5-formyl-1,3-phenylene)bis(oxy))bis(N,N,N-triethyldodecan-1-

aminium) bromide

* Os nomes IUPAC foram mantidos em língua inglesa por uma questão de facilidade de

comunicação.

** No caso dos BODIPY’s pode encontrar-se a cor preta, o nome IUPAC gerado pelo software

ChemDraw V.11.0, e em azul, o nome atribuído por comparação com a numeração usual do

dipirrometeno.


iv

Ald-OH 3,5-dihydroxybenzaldehyde

BODIPY 5,5-difluoro-5H-dipyrrolo[1,2-c:1’,2’-f][1,3,2]diazaborinin-4-ium-5-uide

(4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene)

BODIPY-C12 10-(3,5-bis(dodecyloxy)phenyl)-2,8-diethyl-5,5-difluoro-1,3,7,9-

tetramethyl-5H-dipyrrolo[1,2-c:2’,1’-f][1,3,2]diazaborinin-4-ium-5-uide

(2,6-diethyl-4,4-difluoro-1,3,5,7-tetramethyl-8-[3,5(bis-

dodecyloxy)phenyl]-4-bora-(3a,4a)-diaza-s-indacene)


v

BODIPY-C12Br 10-(3,5-bis((12-bromododecyl)oxy)phenyl)-2,8-diethyl-5,5-difluoro-

1,3,7,9-tetramethyl-5H-dipyrrolo[1,2-c:2’,1’-f][1,3,2]diazaborinin-4-ium-

5-uide (2,6-diethyl-4,4-difluoro-1,3,5,7-tetramethyl-8-[3,5-bis[(12-

bromo)dodecyloxy]phenyl]-4-bora-(3a,4a)-diaza-s-indacene)

BODIPY-Catiónico 10-(3,5-bis((12-(triethylammonio)dodecyl)oxy)phenyl)-2,8-diethyl-5,5-

difluoro-1,3,7,9-tetramethyl-5H-dipyrrolo[1,2-c:2’,1’-

f][1,3,2]diazaborinin-4-ium-5-uide bromide (2,6-diethyl-4,4-difluoro-

1,3,5,7-tetramethyl-8-[[3,5-(12-triethylammonium

bromide)dodecyloxy]phenyl]-4-bora-(3a,4a)-diaza-s-indacene)


vi

BODIPY-Mono-

Catiónico

10-(3-(12-bromododecyloxy)-5-(12-(triethylammonio)dodecyloxy)-2,8-

diethyl-5,5-difluoro-1,3,7,9-tetramethyl-5H-dipyrrolo[1,2-c:1’,2’-

f][1,3,2]diazaborinin-4-ium-5-uide bromide (2,6-diethyl-4,4-difluoro-

1,3,5,7-tetramethyl-8-[[3-(12-bromo), 5-(12-triethylammonium

bromide)dodecyloxy]phenyl]-4-bora-(3a,4a)-diaza-s-indacene)

BODIPY-OH 10-(3,5-dihydroxyphenyl)-2,8-diethyl-5,5-difluoro-1,3,7,9-tetramethyl-5H-

dipyrrolo[1,2-c:2’,1’-f][1,3,2]diazaborinin-4-ium-5-uide (2,6-diethyl-4,4-

difluoro-1,3,5,7-tetramethyl-8-[(3,5-dihidroxi)phenyl]-4-bora-(3a,4a)-

diaza-s-indacene)

BHS Células solares de heterojunção dispersa (do inglês: bulk heterojunction)

CIS Cobre-Índio-Selénio

CIGS Cobre-Índio-Gálio-Selénio

COSY Correlação espectroscópica homonuclear, bidimensional, em RMN (do

inglês: homonuclear correlation spectroscopy)

d Dupleto

DCM Diclorometano

DDQ 2,3-dicloro-5,6-diciano-p-benzoquinona

DMSO Dimetil sulfóxido


vii

DSC Calorimetria Diferencial de Varrimento (do inglês: Differential Scanning

Calorimetry)

DSSC Célula solar sensibilizada por corante (do inglês: dye sensitized solar cell)

F8T2 Poly(9,9-dioctylfluorene-alt-bithiophene)

FF Factor de preenchimento (do inglês: fill factor)

FTIR-ATR Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier com

refletância total atenuada (do inglês: attenuated total reflctance – Fourier

transform infrared)

GCE Eléctrodo de carbono vítreo (do inglês: glassy carbon electrode)

HOMO Orbital molecular ocupada de maior energia (do inglês: highest occupied

molecular orbital)

HPLC Cromatografia líquida de alta eficiência (do inglês: High-Performance

Liquid Chromatography)

ITO Óxido de índio-estanho

J Constante de acoplamento em RMN

Jsc Corrente de curto circuito (do inglês: short circuit current)

k Velocidade de varrimento

LUMO Orbital molecular não ocupada de menor energia (do inglês: lowest

occupied molecular orbital)

m Multipleto

ONU Organização das Nações Unidas


viii

PCBM Éster metílico do ácido [6,6]-fenil-C61-butírico

PCE Eficiência de conversão de energia (do inglês: power conversion

efficiency)

PEDOT-PSS Poli(3,4-etilenodioxitiofeno)-poli(estirenossulfonato)

Pin Potência de entrada

ppm Partes por milhão

q Quarteto

QASR Relações qualitativas de Estrutura/Actividade (do inglês: Qualitative

Structure/Activity Relationship)

qt Quinteto

rpm Rotações por minuto

RSU Resíduos sólidos urbanos

s Singleto

t Tripleto

TBATFB Tetrafluoroborato de tetrabutilamónio (do inglês: tetrabutylammonium

tetrafluoroborate)

TFA Ácido trifluoracético

THF Tetrahidrofurano

TLC Cromatografia de camada fina (do inglês: thin layer chromatography)

TMS Tetrametilsiano

UV/Vis Espectroscopia de Ultravioleta/Visível


ix

Voc Tensão de circuito aberto (do inglês: open circuit voltage)

δ Desvio químico

ɛ Coeficiente de absortividade molar

η Rendimento

λ Comprimento de onda


x

Lista de figuras

Figura 1: Emissões de CO2 per capita em 2007.[13]

...................................................................... 3

Figura 2: Repartição por tecnologia da energia comercializada pela EDP Serviço Universal em

2015. ............................................................................................................................................... 5

Figura 3: Custo e eficiência das três gerações de energia fotovoltaica. ........................................ 7

Figura 4: Eficiência dos vários dispositivos de células solares. .................................................... 8

Figura 5: Diagrama de energia de uma célula solar orgânica com interface dador-aceitador. Os

quatro processos para geração de fotocorrente, são: 1- absorção de um fotão incidente para

criação de um excitão; 2- difusão de um excitão em direcção à interface doador-receptor;

3- quebra do excitão na interface de transferência de carga de um electrão no receptor e buraco o

doador; e 4- transporte de cargas nos contactos.[35]

........................................................................ 9

Figura 6: Esquema típico de uma célula solar orgânica.[36]

........................................................ 10

Figura 7: Estrutura das células solares orgânicas: (a) monocamada; (b) bicamada; e (c)

bicamada BHS. ............................................................................................................................. 10

Figura 8: Curvas típicas de tensão-corrente de uma célula solar orgânica sob condições escuras,

curva a tracejado, e sob iluminação, curva sólida, mostrando a tensão de circuito aberto, Voc e a

corrente de curto-circuito, Jsc. (JV)max corresponde à potência máxima e FF corresponde ao factor

de preenchimento. ......................................................................................................................... 12

Figura 9: Estrutura química do núcleo do BODIPY com representação do sistema de numeração

IUPAC. ......................................................................................................................................... 13

Figura 10: Síntese geral do BODIPY a partir de um derivado de pirrole e de um aldeído. ........ 14

Figura 11: Exemplo de síntese de BODIPY assimétrico. ........................................................... 15

Figura 12: Mecanismo geral da síntese de éteres de Williamson. ............................................... 23

Figura 13: Mecanismo da síntese do Ald-C12Br. ....................................................................... 23

Figura 14: Mecanismo da síntese do Ald-Catiónico. .................................................................. 24

Figura 15: Aldeídos utilizados neste trabalho. ............................................................................ 25


xi

Figura 16: Espectros de 1H-RMN do Ald-OH, em DMSO; Ald-C12; e Ald-C12Br, em CDCl3.

Nota: os protões (f) do espectro do Ald-C12 e (g) do espectro do Ald-C12Br não são

magneticamente equivalentes, mas os seus desvios são tão próximos que são todos representados

pela mesma letra, (f) e (g). ............................................................................................................. 26

Figura 17: Espectro de COSY do Ald-C12Br, em CDCl3. .......................................................... 27

Figura 18: Espectro de 1H-RMN do Ald-catiónico em D2O. Nota: os protões (f) e (g) não são

magneticamente equivalentes, mas os seus desvios são tão próximos que são todos representados

pela mesma letra, (f) e (g). ............................................................................................................. 28

Figura 19: Aldeído original e aldeídos sintetizados. Da esquerda para a direita: Ald-OH;

Ald-C12Br; Ald-C12 e; Ald-Catiónico. ........................................................................................ 28

Figura 20: Curvas de DSC de aquecimento do 1º e 2º aquecimento do Ald-OH (m = 1,84 mg);

do Ald-C12Br (m = 1,26 mg); do Ald-C12 (m = 1,91 mg) e do Ald-Catiónico (m = 1,23 mg),

k = 10 ˚C.min-1

. ............................................................................................................................. 30

Figura 21: Curvas de DSC do 1º e 2º arrefecimento do Ald-OH (m = 1,84 mg),

k = 10 ˚C.min-1

. ............................................................................................................................. 30

Figura 22: Espectros de infravermelho dos compostos: Ald-OH; Ald-C12Br; e, Ald-C12. ....... 32

Figura 23: Espectros de infravermelho dos compostos: Ald-C12Br e Ald-Catiónico. ................ 33

Figura 24: Procedimento geral para a síntese de BODIPY’s. i) TFA; ii) DDQ;

iii) N,N-diisopropiletilamina e BF3Et2O. ...................................................................................... 34

Figura 25: Mecanismo da síntese dos BODIPY’s. ....................................................................... 34

Figura 26: Bodipy’s sintetizados e utilizados neste trabalho. ...................................................... 35

Figura 27: Bodipy’s sintetizados. Da esquerda para a direita: Bodipy-C12; Bodipy-C12Br;

Bodipy-OH; BODIPY-Mono-Catiónico; e Bodipy-Catiónico. ..................................................... 36

Figura 28: Bodipy’s sintetizados em solução de DCM à luz ambiente. Da esquerda para a

direita: Bodipy-OH; Bodipy-C12; Bodipy-C12Br; BODIPY-Mono-Catiónico. ......................... 37

Figura 29: Bodipy’s sintetizados em solução de DCM sob luz a 365 nm. Da esquerda para a

direita: Bodipy-OH; Bodipy-C12; Bodipy-C12Br; BODIPY-Mono-Catiónico. ......................... 37


xii

Figura 30: Espectros de 1H-RMN de: Bodipy-OH em DMSO; Bodipy-C12 e Bodipy-C12Br, em

CDCl3. Nota: os protões (h) do espectro do Bodipy-C12 e (j) do espectro do Bodipy-C12Br não

são magneticamente equivalentes, mas os seus desvios são tão próximos que são todos

representados pela mesma letra, (h) e (j). ..................................................................................... 38

Figura 31: Espectro de COSY do Bodipy-C12Br, em CDCl3. .................................................... 39

Figura 32: Espectro de 1H-RMN do Bodipy-Mono-Catiónico, em CDCl3. Nota: os protões (k)

do espectro do Bodipy-Mono-Catiónico não são magneticamente equivalentes, mas os seus

desvios são tão próximos que são todos representados pela mesma letra, (k). ............................ 40

Figura 33: Espectro de COSY do Bodipy-Mono-Catiónico, em CDCl3. .................................... 41

Figura 34: Espectro de 19

F-RMN do Bodipy-Mono-Catiónico, em CDCl3. ............................... 42

Figura 35: Espectros de infravermelho dos compostos: Ald-OH e Bodipy-OH. ........................ 43

Figura 36: Espectros normalizados para o Bodipy-C12, em tolueno. Fluorescência (curva a

preto); absorção (curva a vermelho); excitação (curva a azul). .................................................... 45

Figura 37: Espectros normalizados para o Bodipy-C12Br, em tolueno. Fluorescência (curva a


Figura 38: Espectros normalizados para o BODIPY-OH, em etanol. Fluorescência (curva a


Figura 39: Espectros normalizados para o BODIPY-Mono-Catiónico, em tolueno. Fluorescência

(curva a preto); absorção (curva a vermelho); excitação (curva a azul). ...................................... 45

Figura 40: Voltamogramas cíclicos sem ferroceno, registado com GCE em meio desoxigenado

de 0,1 M de TBATFB em dicloroetano a uma velocidade de 50 mV.s-1

, contendo ~1 mM de

Bodipy. Bodipy-C12Br (voltamograma a preto), Bodipy-C12 (voltamograma a vermelho), e

BODIPY-Mono-Catiónico (voltamograma a azul). ..................................................................... 47

Figura 41: Voltamogramas cíclicos com 1mM de ferroceno, 1º varrimento, registado com GCE

em meio desoxigenado de 0,1 M de TBATFB em dicloroetano a uma velocidade de 50 mV.s-1

,

contendo ~1 mM de Bodipy. Bodipy-C12Br (voltamograma a preto), Bodipy-C12

(voltamograma a vermelho), e BODIPY-Mono-Catiónico (voltamograma a azul). .................... 47

Figura 42: Voltamogramas cíclicos com 1mM de ferroceno, 2º varrimento, registado com GCE

em meio desoxigenado de 0,1 M de TBATFB em dicloroetano a uma velocidade de 50 mV.s-1

,


xiii

contendo ~1 mM de Bodipy. Bodipy-C12Br (voltamograma a preto), Bodipy-C12

(voltamograma a vermelho), e BODIPY-Mono-Catiónico (voltamograma a azul). ..................... 48

Figura 43: Energia das orbitais de fronteira para os compostos utilizados nas células solares,

BODIPY’s e PCBM. ..................................................................................................................... 51

Figura 44: Estrutura de uma célula BHS. ..................................................................................... 51

Figura 45: Células solares orgânicas construídas com uma razão de 1:1 de centro activo e

PCBM, com 16 mm2 de área activa. (a) centro activo Bodipy-C12Br; (b) centro activo

Bodipy-C12; e (c) centro activo BODIPY-Mono-Catiónico. ........................................................ 52

Figura 46: Curvas de tensão-corrente para as células solares orgânicas construídas com uma

razão de 1:1 de centro activo e PCBM. Experiência no escuro, linha a preto; experiência sob

iluminação de luz a 64 mW.cm-2

, linha a vermelho. (a) centro activo Bodipy-C12; (b) centro

activo Bodipy-C12Br; e (c) centro activo Bodipy-Mono-Catiónico. ............................................ 53


PCBM, com 16 mm2 de área activa. (a) centro activo Bodipy-C12; (b) centro activo

Bodipy-Mono-Catiónico. ............................................................................................................... 54


razão de 2:1 de centro activo e PCBM. Experiência no escuro, linha a preto; experiência sob

iluminação de luz a 64 mW.cm-2

, linha a vermelho. (a) centro activo Bodipy-C12; e (b) centro

activo Bodipy-Mono-Catiónico. .................................................................................................... 55


PCBM, com 16 mm2 de área activa. (a) centro activo Bodipy-C12Br. ........................................ 55


razão de 1:2 de centro activo Bodipy-C12Br e PCBM. Experiência no escuro, linha a preto;

experiência sob iluminação de luz a 64 mW.cm-2

, linha a vermelho. ........................................... 56

Figura 51: Aplicação da camada activa nos slides (spin-coating). .............................................. 62

Figura 52: Deposição térmica de alumínio sob vácuo nos slides. ................................................ 63


xiv

Lista de tabelas

Tabela 1: Rendimentos quânticos de derivados de BODIPY. ..................................................... 14

Tabela 2: BODIPY’s aplicados em células solares orgânicas do tipo bicamada BHS e respectiva

eficiência de conversão de energia (PCE). ................................................................................... 16

Tabela 3: Aspectos físicos, pontos de fusão e rendimentos dos aldeídos sintetizados. ............... 29

Tabela 4: Aspecto físico e rendimento dos Bodipy’s sintetizados à temperatura ambiente. ....... 36

Tabela 5: Propriedades fotofísicas dos Bodipy’s sintetizados, utilizando rodamina-6G como

referência e tolueno como solvente. *Bodipy-OH utilizou etanol como solvente. ...................... 44

Tabela 6: Valores de potencial de oxidação/redução e correspondente afinidade electrónica (Ea),

potencial de ionização (Ip) e energia gap (Eg) extraídos a partir de voltametria cíclica. Com

ferroceno, 1º varrimento. .............................................................................................................. 49

Tabela 7: Valores de potencial de oxidação/redução e correspondente afinidade electrónica (Ea),

potencial de ionização (Ip) e energia gap (Eg) extraídos a partir de voltametria cíclica. Com

ferroceno, 2º varrimento. .............................................................................................................. 49

Tabela 8: Resultados das células solares orgânicas de razão 1:1 de centro activo e PCBM sob

iluminação de luz branca a 64 mW.cm-2

. .................................................................................... 53



. .................................................................................... 54



. .................................................................................... 55


xv

Resumo

Os BODIPY’s, como são comummente conhecidos os 4,4-difluoro-3a,4a-diaza-s-

indacenos, são moléculas orgânicas que possuem propriedades notáveis, tais como, elevada

fluorescência, elevado coeficiente de absorção molar, elevado rendimento quântico de

fluorescência, reduzido desvio de Stokes, o que permite a sua utilização como corantes e

fotossensibilizadores em diversas áreas ciêntificas.

Actualmente, devido ao facto dos combustíveis fósseis se encontrarem num ponto em

que o seu fim está próximo, e também devido à elevada taxa de gases poluentes, libertados pela

sua combustão para a atmosfera, essencialmente CO2, é necessário concentrar a atenção nas

energias renováveis, nas quais estão essencialmente incluídas, as energias hídrica, eólica e solar.

A energia solar, apesar de ser a mais abundante, é a energia que apresenta menores

resultados de eficiência. Assim sendo, é a que oferece maiores margens para futuras melhorias

no seu desempenho. A partir das células solares orgânicas é possível produzir electricidade

através da ajuda de polímeros semicondutores ou de moléculas orgânicas. Estas células

apresentam custos de fabrico reduzidos e são muito mais flexíveis comparativamente às células

solares cristalinas de silício.

Com base nestes factores, pretende-se, com este trabalho, sintetizar e caracterizar novas

estruturas de BODIPY’s para posterior aplicação em células solares orgânicas no âmbito do

esforço de melhoria dos processos de produção de energias renováveis.

Os compostos obtidos foram sintetizados, numa sequência de três passos, tendo início

com uma reacção de condensação, a partir de aldeídos previamente sintetizados e de

3-etil-2,4-dimetilpirrole, à temperatura ambiente e sob atmosfera de azoto, terminado com uma

reacção de complexação com trifluoreto de boro.

Os aldeídos foram sintetizados no laboratório e caracterizados juntamente com os

BODIPY’s através de técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear,

calorimetria diferencial de varrimento, espectroscopia de infravermelho com transformada de

Fourier com refletância total atenuada, voltametria cíclica, UV-Vis e fluorescência. A partir

destas técnicas, foi possível determinar para os BODIPY’s os seus rendimentos quânticos de

fluorescência, os seus potenciais redox e os seus respectivos valores de energia de HOMO e

LUMO. Foram depois realizados estudos de eficiência na produção de energia eléctrica


xvi

fotovoltaica. As células obtidas por nós, revelaram-se activas e com valores de produção

fotovoltaica interessantes.

A análise comparativa de valores de eficiência energética, em função da estrutura dos

BODIPY’s, permitiu-nos fazer uma análise QASR acerca desta classe de compostos e avaliar a

sua utilização em células solares orgânicas.

Palavras-chave: Aldeído, pirrole, BODIPY e células solares orgânicas.


xvii

Abstract

BODIPY’s are commonly known as 4,4-difluoro-3a,4a-diaza-s-indacenes, they are

organic molecules that have remarkable properties such as high fluorescence, high molar

absorption coefficients, high fluorescence quantum yield, low Stokes shift, which allows its use

as dyes and photosensitizers in several scientific areas.

At present, due to the fact that fossil fuels are in a point near its end, and also because of

pollutant gases, released by combustion into the atmosphere, mainly CO2, it is necessary to focus

in renewable energy, in which are mainly included hydro power, wind power and solar energy.

Solar energy, despite being the most abundant, is the energy that has lower efficiency

results, therefore, it is the one offering higher margins for future improvements in performance.

From the organic solar cells is possible to produce electricity through the help of semiconducting

polymers and small molecules. These cells have reduced manufacturing costs and are much more

flexible compared to the crystalline silicon solar cells.

Based on these factors, it was intended with this work, to synthesize and characterize

new BODIPY's structures for later use in organic solar cells in an effort to improve renewable

energy production processes.

The obtained compounds were synthesized in a three step sequence, starting with the

condensation reaction, of previously synthesized aldehyde and 3-ethyl-2,4-dimethylpyrrole, at

room temperature and under nitrogen atmosphere, with a finished complexation reaction with

boron trifluoride.

The aldehydes were synthesized and characterized in the laboratory together with the

BODIPY's through techniques such as nuclear magnetic resonance spectroscopy, differential

scanning calorimetry, infrared spectroscopy with Fourier transform with a total reflectance

attenuated, cyclic voltammetry, Vis-UV and fluorescence. From these techniques, it was possible

to determine BODIPY's fluorescence quantum yields, their redox potentials and their respective

energy values of HOMO and LUMO. Then, there were made efficiency studies in the production

of photovoltaic electric power. The cells obtained have revealed active and interesting

photovoltaic values.


xviii

The comparative analysis of efficiency as a function of the BODIPY's structure allowed

us to make important QASR analysis on this class of compounds and evaluate their use in

organic solar cells.

Keywords: Aldehyde, pyrrole, BODIPY and organic solar cells.


Capítulo 1: Introdução

1


1.1 Energia e sociedade

A percepção de energia remete à época da pré-história, quando os nossos primórdios,

Homo habilis e Homo erectus, descobriram as funcionalidades do fogo.[1][2]

Inicialmente o

Homem adquiria fogo através das tempestades, quando relâmpagos atingiam vegetações,

incendiando-as. Posteriormente, o Homem descobriu que a resultante do atrito entre minerais

originava faíscas que, em contacto com palha seca, dava origem ao fogo, assim sendo, começou

o domínio do Homem pela energia.[2]

Primeiramente o fogo era utilizado para cozinhar e para a sua própria protecção, como

manterem-se quentes e afugentarem animais selvagens. Mais tarde, o fogo passou a ser utilizado

também, na cerâmica, para fundir minerais e para forjar as primeiras armas e ferramentas de

trabalho.[1][3]

Milhares de anos depois, há a descoberta das funcionalidades do vento, o Homem

emprega esta descoberta em moinhos de vento, onde hélices eram movidas por acção deste que,

posteriormente fazia mover mós, através das quais era possível realizar a moagem de cereais.

Esta aplicação foi considerada como um dos primeiros processos industriais desenvolvido pelo

Homem.[4]

Com a energia proveniente dos ventos, tornou-se possível aos navegadores europeus

realizarem inúmeras descobertas cruzando oceanos em caravelas movidas pela força do vento,

permitindo assim, o intercâmbio tecnológico moderno.[5]

O auge da utilização da energia surgiu no decorrer do século XVIII, através da invenção

da máquina a vapor que deu origem à Revolução Industrial e marcou a importância da energia

nos tempos actuais.[6]

A locomotiva foi uma das primeiras aplicações da máquina a vapor,

seguida pelos navios movidos a vapor.[7]

O urânio, devido às suas propriedades, é utilizado para produção de energia nuclear,

derivada da energia libertada durante a fissão do núcleo atómico, em centrais nucleares.[8]

A

meio do século XIX iniciou-se a utilização de novas fontes, como o petróleo e o carvão.

1.1.1 Energias não renováveis

Actualmente, o mundo no qual vivemos é cada vez mais dependente de energia para

sobreviver. Se antigamente apenas eram utilizadas madeira e fogo para aquecimento e para

cozinhar, nos dias de hoje, o mesmo já não é válido. O ser humano utiliza energia em quase



2

todas as suas actividades diárias, como por exemplo, cozinhar, iluminação, aquecimento, meios

de transporte, entre muitos outros.[9][10]

Essencialmente utilizam-se combustíveis fósseis, como o

petróleo, gás natural e carvão mineral, para a produção de energia.

Os combustíveis fósseis são recursos naturais formados através de processos naturais de

decomposição de matéria orgânica, que envolvem a escala de tempo geológico, e por isto, são

classificados como recursos não renováveis, uma vez que não são renováveis numa escala de

tempo humana. Estes são também chamados de energia primária e necessitam de ser

transformados em energia secundária, como a electricidade, para poder ser utilizada pelo ser

humano. [9]

Tanto o petróleo como o gás natural e o carvão mineral são fontes de energia utilizadas

há bastante tempo, sendo que, as suas propriedades já se encontram relativamente bem

estudadas. No entanto, a utilização destas energias não renováveis, apresentam uma elevada

variedade de problemas de difícil resolução, como por exemplo, elevada taxa de poluição

ambiental, provocada pela queima de combustível, originando libertação de gases de dióxido de

carbono (CO2), óxidos de azoto (NOx), dióxido de enxofre (SO2) e hidrocarbonetos (HC),

derrames de crude, elevado risco de explosão durante o transporte e, no caso de Portugal e

muitos outros países, a dependência de países produtores de energias fósseis.[11]

Devido ao facto do ser humano utilizar os combustíveis fósseis como se não existissem

limites, surgiram problemas ambientais, mais concretamente, chuvas ácidas, nevoeiro tóxico e

alterações climáticas. De modo a combater os avanços das alterações climáticas, foi assinado um

acordo de compromisso de redução das emissões de gases com efeito estufa, denominado por

Protocolo de Quioto em 1997 e posteriormente ratificado em 1999, tendo entrado em vigor

apenas em Fevereiro de 2005.[12]

Faziam parte deste protocolo aproximadamente 190 países. Em

2007, na distribuição de emissões de CO2 per capita, figura 1, é possível observar os países com

maior percentagem de emissões de CO2, Estados Unidos, Rússia e Austrália, sendo que estes não

faziam parte do Protocolo de Quioto.



3

Figura 1: Emissões de CO2 per capita em 2007.[13]

Em 2015, foi aprovado o Acordo de Paris, que deverá substituir o Tratado de Quioto,

tendo sido acordado entre 195 países, e posteriormente assinado na sede da ONU em Nova

Iorque a 22 de Abril de 2016.[14]

Deverá entrar em vigor em 2020, aquando ratificado por 55

países, correspondentes a 55 % das emissões de gases poluentes.[15]

No entanto, o cumprimento do Protocolo de Quioto e do Acordo de Paris não serão

suficientes para travar as emissões de CO2 para a atmosfera, nem os elevados perigos que

acarreta a energia nuclear. Assim sendo, é necessário aprofundar conhecimentos sobre outros

tipos de energia, as energias renováveis.

1.1.2 Energias renováveis

Com o rápido crescimento do consumo energético pela população mundial e o início da

escassez do petróleo, foi necessário desenvolver novos estudos sobre energias que garantissem

um desenvolvimento sustentável. Surge então, a implementação das energias renováveis. Uma

energia renovável, é aquela à qual não é possível atribuir um fim temporal para a sua utilização,

ou seja, é inesgotável na escala temporal previsível, como é o caso do vento, das marés, do calor

e da luz emitidos pelo Sol.[16]

Actualmente existem vários tipos de energias renováveis, que nos facultam energia sob

a forma de electricidade, aquecimento e arrefecimento, e também sob a forma de soluções de

transporte. Temos o caso das energias hídrica, eólica, solar, oceânica, geotérmica e da biomassa



4

(bioenergia). As vantagens destes tipos de energia focam-se essencialmente, no facto de não

serem poluentes, à excepção da bioenergia, nenhuma outra energia produz CO2, e podem ser

exploradas localmente.[17]

Para a produção da energia hídrica, é utilizado o desnível geométrico do rio, de modo a

converter a energia potencial da água em energia cinética e posteriormente em energia mecânica.

Através de um gerador eléctrico, a energia mecânica é convertida em energia eléctrica. A

obtenção de energia através deste método é eficiente, no caso das hidroeléctricas de potência

inferior a 10 MW o rendimento chega a atingir os 90 %, no entanto, apresenta como

desvantagem, perturbações no ecossistema. No caso da energia eólica, tem-se a energia cinética

convertida em energia eléctrica, no entanto, o rendimento máximo é de apenas 50 %. A energia

oceânica provém do movimento alternado da superficie do mar, em que as ondas fazem oscilar a

pressão de ar contida numa estrutura que se encontra parcialmente submersa. Em Portugal, a

amplitude das marés não é suficiente para a implementação viável desta tecnologia. A obtenção

de energia geotérmica consiste na utilização de vapor retirado do subsolo terrestre. A bioenergia

resulta da queima de biomassa de modo a produzir vapor, através de um processo combinado

para a produção de electricidade e calor, denominado por co-geração. Por fim, a energia solar

consiste na conversão da radiação emitida pelo Sol em energia térmica e energia eléctrica. No

caso da obtenção da energia térmica, são utilizados colectores solares de vidro, de modo a

aquecer um fluido térmico que posteriormente, através de um permutador de calor, passa esse

calor para a água de consumo. Este tipo de equipamento apresenta um rendimento na ordem dos

30 %. Para a obtenção de energia eléctrica utilizam-se, na sua grande maioria, painéis

fotovoltaicos construídos à base de silício que após tratamento adequado, possuem a capacidade

de libertar electrões quando expostos à radiação. O movimentos dos electrões estabelece uma

corrente eléctrica. Este procedimento apresenta um rendimento reduzido, com um máximo de

15 %.[17]

Actualmente, diversas pessoas e empresas produzem energia de modo a utilizarem, para

consumo próprio ou para posteriormente, venderem a outros. Com o desenvolver das tecnologias

solares, mais pessoas e empresas poderão produzir a sua própria energia, com base nos recursos

que o Sol fornece, de modo a garantir a sua subsistência.[18]

No ano de 2015, em Portugal, o consumo de energia comercializada pela EDP repartiu-

se essencialmente em energia eólica, carvão, cogeração fóssil e hídrica. Na figura 2 é possível

observar a sua distribuição por tecnologia. Por outro lado, as energias menos comercializadas



5

foram, a incineração de resíduos sólidos urbanos (RSU), a energia nuclear e fuelóleo. O uso da

energia fotovoltaica é ainda reduzido, estando englobado nas “outras renováveis”.[19]

Figura 2: Repartição por tecnologia da energia comercializada pela EDP Serviço Universal em 2015.

1.2 Células Fotovoltaicas

De todas as energias renováveis, a energia solar é das mais interessantes, como tal,

apresenta-se como a energia com melhores perspectivas para o futuro.[20]

Para a produção de energia, utilizando como fonte o Sol, é necessário, a utilização de

células solares, que são dispositivos que convertem a luz solar incidente em outro tipo de

energia, usualmente, energia eléctrica. Este fenómeno denomina-se por efeito fotovoltaico.[21]

A

primeira vez que foi observado, foi em 1839 pelo físico Edmund Becquerel, que descobriu o

efeito fotovoltaico ao testar uma célula electrolítica constituída por dois electrodos de metal,

observando assim, que determinados materiais produziam pequenas quantidades de corrente

eléctrica, quando expostos à luz.[22]

A primeira célula fotovoltaica foi construída em 1883, por Charles Fritts, na qual

selénio semicondutor foi coberto por uma camada de ouro de maneira a formar junções, sendo

que este dispositivo apresentou uma eficiência de apenas 1 %.[23]

Em 1953, foi construída a

primeira célula solar de silício nos Laboratórios Bell pelos cientistas Gerald Pearson, Daryl



6

Chapin e Calvin Fuller, tendo esta uma eficiência de 4,5 %, que no entanto, conseguiram atingir

posteriormente uma eficiência de 6 %.[24]

Ainda que as células fotovoltaicas fossem utilizadas na área espacial, o seu

desenvolvimento apenas teve um impulso nos finais dos anos 70 devido ao aumento do custo do

petróleo. Assim sendo, apenas a partir de 1980 é que as células fotovoltaicas se tornam numa

área de interesse no âmbito da energia. Apesar de as células solares não se apresentarem ainda

muito competitivas em relação às outras energias renováveis e às energias fósseis, esta situação

tende a mudar gradualmente.

Podem ser considerados três tipos de gerações de energia fotovoltaica.[25]

Na primeira geração, as células são usualmente feitas com base em placas de silício

cristalino (c-Si). Estas células são constituídas por uma camada única e de grande superfície de

díodos de junção p-n, capazes de originar energia eléctrica tendo como suporte a fonte de luz

solar. Este tipo de células é o mais dominante a nível comercial, correspondendo a

aproximadamente 90 % do mercado mundial. No entanto, apesar da sua elevada eficiência,

existem avultados custos de produção e de instalação devido ao seu peso.[25]

A segunda geração é constituída por células que utilizam filmes finos inorgânicos semi-

condutores, resultando assim, numa diminuição da quantidade de materiais utilizados e

consequentemente, no custo de fabrico. Os materiais semi-condutores geralmente utilizados são

o silício amorfo (a-Si), silício policristalino ou microcristalino, telureto de cádmio (CdTe),

cobre-índio-selénio (CuInSe2) conhecido como CIS e Cobre-Índio-Gálio-Selénio (Cu(In,Ga)Se2)

conhecido por CIGS. Estas células apresentam uma eficiência inferior às células de primeira

geração, no entanto, devido à diminuição do seu peso, é possível aplicá-las em suportes

flexíveis.[25]

Finalmente, as células de terceira geração, estas são muito diferentes das células

anteriores e caracterizam-se pela utilização de semi-condutores que dependem da junção p-n

para separar partículas carregadas por acção da luz. Os materiais para a fabricação destas células

são bastante variados, podendo-se utilizar células fotoeletroquímicas, células de nanocristais,

células de multibanda, entre muitas outras, envolvendo materiais orgânicos ou poliméricos que

podem casualmente ser acoplados com materiais inorgânicos. As desvantagens desta tecnologia,

e que impedem a sua comercialização, são a sua reduzida eficiência e a sua curta vida útil.[25]

As células baseadas em silício cristalino e multicristalinas são os sistemas mais

desenvolvidos actualmente em utilização, apresentando uma eficiência de conversão de energia



7

(PCE) de 25 %. Apenas dispositivos de multi-junção InGaP/GaAs/InGaAs apresentam uma PCE

superior, chegando a atingir os 40 %.[26]

Estes são os sistemas mais dispendiosos. A figura 3

ilustra a relação entre as três gerações de células em função da eficiência e dos custos de

produção por unidade de área.[27]

Figura 3: Custo e eficiência das três gerações de energia fotovoltaica.

A utilização de células de filme fino inorgânicos em semi-condutores apresentam a

vantagem de necessitarem de reduzidas quantidade de material, compostos menos puros e de

temperaturas inferiores de deposição e processamento, permitindo assim uma redução dos custos

de produção. Esta técnica é utilizada na grande maioria de células que não utilizam silício

cristalino, sendo elas, as CIGS e CdTe, possuindo ambas uma eficiência de 21,0 %.[26]

As

principais preocupações a respeito destas técnicas resumem-se à toxicidade do cádmio e à

quantidade de índio disponível.

Os valores de eficiência mais elevados foram atingidos nos dispositivos de multi-junção

GaAs, com aproximadamente 40 % de PCE, mas o seu elevado custo limita a sua utilização.[26]

As células solares orgânicas começaram a tornar-se relevantes aquando Pochettino

apresentou a fotocondutividade do antraceno, seguida pela demonstração do efeito fotovoltaico

em semicondutores orgânicos e a partir da descrição do conceito de heterojunção

doador/receptor.[28]

A primeira célula solar sensibilizada por corante (DSSC) foi apresentada em

1991 por Grätzel e baseia-se num corante doador de electrões que absorve luz depositada sobre

um semicondutor inorgânico de dióxido de titânio. O cátodo e ânodo são ambos cobertos por um

filme fino de um óxido semicondutor transparente e entre eles é depositado um electrólito.[29]

A

eficiência destas células aproxima-se actualmente dos 12 %.[26]

Outra tecnologia baseando-se em

filmes finos de compostos orgânicos de absorção de luz, doadores de electrões, cujos receptores

de electrões são usualmente fulerenos, são as células solares orgânicas.



8

A figura 4 ilustra as eficiências mais elevadas dos vários dispositivos de células solares

desenvolvidos ao longo dos últimos 40 anos.[30]

Figura 4: Eficiência dos vários dispositivos de células solares.

1.2.1 Células solares orgânicas

As células solares orgânicas de camada fina pertencem à terceira geração de células

solares e são classificadas como as mais promissoras para futuras aplicações de energia solar

devido à sua facilidade de produção, reduzido custo de fabrico e possibilidade de produção em

larga escala para aplicação em grandes áreas de painéis solares flexíveis.[31]

As moléculas

orgânicas utilizadas para construir estas células solares possuem vantagens optoelectrónicas que

podem ser quimicamente adaptadas para absorver através de uma vasta gama espectral, partindo

de reduzidas quantidades de material.[32]

A primeira célula solar utilizando material orgânico foi desenvolvida por Ching W.Tang

apresentando uma eficiência de aproximadamente 1 %. Esta célula solar orgânica consistia em

camadas empilhadas de dois materiais orgânicos, uma funcionava como dadora de electrões e a

outra como aceitadora de electrões.[33]

A principal diferença entre o funcionamento de uma célula solar orgânica e uma

inorgânica baseia-se no facto de as células solares inorgânicas envolverem a geração directa de

portadores de carga livres.[34]

Nas células solares orgânicas, o processo para obtenção de energia



9

inicia-se quando um fotão incide no material criando um excitão (par hole/electrão) no material

fotossensível. De seguida, estas cargas separam-se e são injectadas nos eléctrodos, produzindo

corrente eléctrica externa. A figura 5 mostra a sequência dos passos para a conversão de energia

solar numa célula solar orgânica. Quando luz é absorvida, um electrão é promovido da orbital

molecular ocupada de maior energia (HOMO) para a orbital molecular não ocupada de menor

energia (LUMO) formando assim, um excitão. Nas células fotovoltaicas, este processo necessita

de ser seguido por uma dissociação do excitão. O electrão chega a um eléctrodo, enquanto o hole

chega ao outro eléctrodo.[30]

A força e largura do espectro de absorção de uma camada fotoactiva

determina o potencial para a recolha de radição solar incidente.[35]

Figura 5: Diagrama de energia de uma célula solar orgânica com interface dador-aceitador. Os quatro processos para geração de fotocorrente, são: 1- absorção de um fotão incidente para criação de um excitão; 2- difusão de um excitão em direcção à interface doador-receptor; 3- quebra do excitão na interface de transferência de carga de um electrão no receptor e buraco o doador; e 4- transporte de cargas nos contactos.[35]

Para a selecção adequada do dador e do aceitador é necessário ter em conta os níveis de

energia dos mesmos. Na construção de uma célula solar de trabalho, a camada orgânica é apenas

uma dos vários componentes necessários. A grande maioria das células solares orgânicas,

apresentam uma estrutura plana em camadas, onde a camada orgânica, responsável pela absorção

de luz, se encontra entre dois eléctrodos diferentes. A figura 6 apresenta um esquema típico de

uma célula solar orgânica. Um dos eléctrodos tem de ser necessariamente (semi) transparente,

sendo maioritariamente construído à base de óxido de índio-estanho, ITO. O outro eléctrodo

consiste numa finíssima película de metal, normalmente ouro ou alumínio. A aplicação de

revestimento anti-reflexo ajuda a minimizar as perdas por não-absorção.[28]



10

Figura 6: Esquema típico de uma célula solar orgânica.[36]

Os sistemas de células solares orgânicas podem apresentar-se sobre três tipos de

estruturas (figura 7):

Figura 7: Estrutura das células solares orgânicas: (a) monocamada; (b) bicamada; e (c) bicamada BHS.

A célula solar orgânica de monocamada é a mais simples, sendo composta por uma

camada de material fotovoltaico orgânico entre dois condutores metálicos, uma camada de ITO e

a outra camada de um metal, alumínio, magnésio ou cálcio. Estas células são as menos úteis

devido à sua reduzida eficiência e à incapacidade de criar um campo eléctrico suficientemente

forte para mover os electrões excitados através da célula solar.[37][38]

A célula de bicamada possui duas camadas distintas de material fotovoltaico orgânico

especialmente escolhido para maximizar as forças electroestáticas criadas entre elas. Uma das

desvantagens deste tipo de célula é o pequeno comprimento de difusão de excitões, ou seja, a

distância média que um excitão percorre antes da recombinação, que é demasiado reduzido

comparativamente com a espessura da camada necessário para obter um bom desempenho.

Apesar de as camadas mais espessas serem desejadas para a elevada absorção de radiação, estas

devem também ser suficientemente finas para evitar excesso de recombinação, devido aos curtos

comprimentos de difusão dos excitões. Os fulerenos ou derivados, como o PCBM, são capazes



11

de aceitar mais do que um electrão, logo a sua aplicação torna-se uma mais valia para a

eficiência de conversão de energia.[39][40]

Por fim, as células solares de bicamada BHS (bulk heterojunction) ou heterojunção

dispersa foram desenvolvidas para combater as limitações do pequeno comprimento de difusão

do excitão em materiais orgâncos das células anteriores. Neste tipo de célula, a camada doadora

de electrões e a camada aceitadora de electrões apresentam-se misturadas, formando uma só

camada. Nesta situação, se o comprimento de difusão da mistura for semelhante ao comprimento

de difusão do excitão, a grande maioria dos excitões formados em qualquer material pode atingir

a interface, onde os excitões se podem carregar separadamente de maneira mais eficaz. Obtendo

assim, uma célula mais eficiente que as anteriores. A componente de heterojunção entre um

material dador e um material aceitador de electrões deve-se ao facto de a absorção óptica em

materiais orgânicos não levar directamente aos transportadores de electrões e buracos livres,

sendo primeiro necessário dissociar o excitão para poder gerar corrente eléctrica.[41]

O primeiro

dispositivo de bicamada BHS foi apresentado por Hiramoto et al., o qual era composto por uma

camada de ftalocianina livre de metais (doadora de electrões) e de um derivado de perileno

tetracarboxilico (aceitadora de electrões).[42][43]

Até à data, a eficácia máxima encontrada numa

célula solar orgânica foi de 13,9 %, em 2014.[44]

Outra estrutura de célula solar orgânica que pode ser considerada e que fornece um

aumento da absorção e da eficiência, é o empilhamento de células, onde uma ou mais células são

dispostas umas sobre as outras aplicando um eléctrodo transparente entre elas, isto vai apresentar

um comportamento de células em série, no entanto é necessário ter cuidado quando os

dispositivos apresentam materiais activos depositados para evitar danificar as camadas.[45]

O

conjunto de células actualmente mais eficiente ronda os 6,7 %.[46]

A aplicação deste tipo de células solares orgânicas em grande escala no comércio está

dependente da sua eficiência, ainda um pouco limitada.

1.2.2 Parâmetros das células solares

Uma célula solar tem como propósito gerar corrente eléctrica quando iluminada. A

presença de corrente no escuro não permite à célula o seu funcionamento, dando origem a

corrente de curto-circuito. O dispositivo funciona no quarto quadrante, onde a tensão é positiva e

a corrente negativa, fazendo com que a potência seja negativa, ou seja, a célula gera energia



12

utilizando como fonte, luz (figura 8).[47]

Os parâmetros de maior relevância para descrever um

dispositivo fotovoltaico estão apresentados na figura 8.

Figura 8: Curvas típicas de tensão-corrente de uma célula solar orgânica sob condições escuras, curva a tracejado, e sob iluminação, curva sólida, mostrando a tensão de circuito aberto, Voc e a corrente de curto-circuito, Jsc. (JV)max corresponde à potência máxima e FF corresponde ao factor de preenchimento.

A tensão de circuito aberto, Voc, é a tensão máxima que a célula pode gerar sob circuito

aberto, para as células de bicamada BHS este valor é influenciado pela diferença entre o HOMO

do dador e o LUMO do aceitador.[48]

Por outro lado, a corrente de curto-circuito, Jsc, é a corrente

que atravessa a célula, quando a voltagem através da célula é zero. A Jsc é extremamente

dependente da estrutura da célula, do tempo de vida e da mobilidade dos portadores de carga.[49]

O factor de preenchimento, FF, equação 2, é a razão entre a potência máxima da célula

e o produto de Voc e Jsc, equação 1.[47]

Equação 1

Equação 2

A eficiência de conversão de energia, PCE ou η, é o parâmetro utilizado para comparar

o desempenho entre duas células solares. O resultado da eficiência depende do espectro, da

intensidade da luz solar incidente e da temperatura do dispositivo, assim sendo, as condições sob

as quais a eficiência é medida devem ser precisamente controladas, de modo a que a comparação

de desempenho de eficiências seja válido.

A eficiência de uma célula solar é determinada como a fracção de potência incidente

que é convertida em electricidade, sendo definida pela equação 3. Onde Voc é a tensão de circuito

aberto, Jsc é a corrente de curto-circuito, FF é o factor de preenchimento e Pin é a potência de

entrada.[49]



13

Equação 3

1.3 BODIPY’s

O BODIPY, como é comummente conhecido, ou o boro-dipirrometeno pertence à

classe dos corantes fluorescentes. O nome IUPAC correspondente ao núcleo do BODIPY é

4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indaceno ou 5,5-difluoro-5H-dipirrolo[1,2-c:1’,2’-

f][1,3,2]diazaborinina-4-ium-5-uide e a sua estrutura é apresentada na figura 9.[50]

Figura 9: Estrutura química do núcleo do BODIPY com representação do sistema de numeração IUPAC.

Este composto foi sintetizado acidentalmente pela primeira vez em 1968 por Treibs e

Kreuzer a partir de 2,4-dimetilpirrole e anidrido acético.[50]

No entanto, apenas no final da

década de 80, inícios dos anos 90 é que os BODIPY’s se tornaram relevantes devido à síntese de

ligandos fluorescentes para receptores de dopamina e às suas potencialidades como cromóforos

para aplicação em lasers.[51][52]

A partir desta altura, o BODIPY teve o seu reconhecimento como

corante para variadas aplicações biológicas.[53]

Os BODIPY’s são compostos por um complexo de dipirrometeno juntamente com um

átomo de boro di-substituído, usualmente BF2 (dipirrometenos difluoroboronados).[50][54]

A

condensação das duas unidades de pirrole ocorre através de uma ponte de metino, dando origem

ao dipirrometeno, posteriormente, este é complexado com um ácido de Lewis, BF3.[55]

Os BODIPY’s são altamente fluorescentes independententemente do ambiente químico

envolvente. Estes compostos apresentam propriedades fotofísicas bastante relevantes, tais como:

bandas de absorção estreitas, cujo pico máximo ronda entre os 500 a 550 nm, elevados

coeficientes de extinção molar, 40000 ≤ Ɛ ≤ 80000 M-1

cm-1

e rendimentos quânticos de

fluorescência superiores a 0,60. No entanto, dependendo dos substituíntes do núcleo do



14

BODIPY, os rendimentos quânticos podem baixar para próximos de 0,19. Os tempos de vida no

estado excitado são relativamente longos, na ordem dos nanossegundos, e apresentam reduzidos

desvios de Stokes e existe boa foto-estabilidade.[54][56][57]

Em geral, os BODIPY’s apresentam

também boa solubilidade na grande maioria dos solventes orgânicos.

Na tabela 1 são apresentadas algumas estruturas de derivadas de BODIPY com os

respectivos rendimentos quânticos.[54][58]

Tabela 1: Rendimentos quânticos de derivados de BODIPY.

ɸF = 0,81

λmaxabs 507 nm

λmaxem 520 nm

ɸF = 0,19

λmaxabs 508 nm

λmaxem 521 nm

ɸF = 0,81

λmaxabs 491 nm

λmaxem 498 nm

ɸF = 0,69

λmaxabs 514 nm

λmaxem 530 nm

As propriedades electroquímicas dos BODIPY’s são bastante relevantes,

particularmente em aplicações que necessitam das características redox das moléculas, como é o

caso dos sensores redox.[59]

A síntese dos BODIPY’s substituídos é de fácil execução, partindo de pirróis e cloreto

de acilo, anidrido de ácido carboxílico ou aldeídos, (figura 10) para obtenção de BOPIDY’s

simétricos.[60]

Reacções entre pirróis e ceto-pirróis dão origem a BODIPY’s assimétricos

(figura 11).[54]

A preparacção de BODIPY’s através da condensação de cloretos de acilo com

pirróis envolve intermediários instáveis de sais de hidrocloreto de dipirrometeno.[51][52]

Figura 10: Síntese geral do BODIPY a partir de um derivado de pirrole e de um aldeído.



15

No caso dos BODIPY’s assimétricos, a síntese é diferente, a figura 11 mostra um

exemplo da preparação de um BODIPY assimétrico a partir de ceto-pirrole.

Figura 11: Exemplo de síntese de BODIPY assimétrico.

As manipulações químicas para modificar o núcleo do BODIPY representam uma área

de bastante interesse actualmente na investigação devido a propriedades como as características

fotofísicas. Estas modificações podem ocorrer através da adição de substituintes ao núcleo do

BODIPY. Existem três tipos de reacções para estas manipulações, são elas, a substituição,

inter-conversão do grupo funcional e reacção de acoplamento cruzado catalisada por metal.[61]

Após as primeiras investigações sobre a fluorescência dos BODIPY’s, tem havido um

elevado crescimento na síntese de novos derivados de BODIPY, pois estes apresentam uma vasta

variedade de aplicações em diversas áreas, como por exemplo, sondas ião/molécula[62]

, sondas de

pH[63]

, agentes quelantes[64]

, grupos de conjugação para biomoléculas[65]

, fotossensibilizadores

para terapia fotodinâmica[66]

, agentes de distribuição de medicamentos[67]

, corantes laser[68]

,

células solares orgânicas[69]

, entre outras.

1.3.1 Aplicação de moléculas activas de BODIPY em células solares orgânicas

Com o intuito de produzir células solares de bicamada BHS eficazes, os compostos que

vão dar origem à camada orgânica fotoactiva devem satisfazer alguns requisitos: deve existir

uma forte absorção óptica na gama de comprimentos entre 500 e 900 nm; as diferenças de

energia devem ser razoavelmente elevadas entre a LUMO do dador e a LUMO do aceitador; a

estrutura quase planar favorece a organização local, proporcionando uma boa mobilidade de

portadores de carga no filme, maximizando a corrente de curto-circuito (Jsc) e o factor de

preenchimento (FF); a solubilidade deve ser adequada e apresentar capacidade para formar

películas quando misturado com outro componente; facilidade de preparação e robustez.[70]



16

Os BODIPY’s possuem variadas aplicações, tanto no campo das células solares

orgânicas, como em interruptores fluorescentes ou sensores químicos.[71]

As investigações

utilizando BODIPY’s como corantes em células solares de bicamada BHS tiveram início em três

BODIPY’s disponíveis comercialmente utilizados juntamente com um polímero de acrilato.[72]

Foram produzidas células solares de bicamada BHS a partir de uma mistura de BODIPY,

contendo unidades de etinilo e estirilo com éster metílico do ácido [6,6]-fenil-C61-butírico

(PCBM), numa proporção de 1:2 por spin-coating, num substrato de vidro revestido com ITO e

uma camada de 40 nm de espessura de PEDOT-PSS, como suporte de polímero. Isto foi um

grande passo na aplicação de BODIPY’s como camada activa em células solares orgânicas.[69]

A

tabela 2 apresenta alguns BODIPY’s aplicados em células solares orgânicas.

Tabela 2: BODIPY’s aplicados em células solares orgânicas do tipo bicamada BHS e respectiva eficiência de conversão de energia (PCE).

Estrutura molecular PCE (%)

0,06[73]



17

1,03[74]

1,26[75]

1,50[76]



18

2,70[77]


Capítulo 2: Objectivos e Planeamento

19


Este trabalho, teve como principal objectivo, sintetizar novos BODIPY’s de cadeias

longas alquílicas e catiónicas, para posterior aplicação em células solares orgânicas. O

planeamento para atingir este objectivo é descrito de seguida, nos esquemas 1 e 2.

Através da síntese de éteres de Williamson, da reacção do Ald-OH com C12H24Br2 e

utilizando como base K2CO3 será possível obter o Ald-C12Br (reacção A), e da reacção do

Ald-OH com C12H25Br e K2CO3, será possivel obter o Ald-C12 (reacção B).

Por outro lado, a síntese de sal de amónio, pode ser conseguida ao reagir o produto

obtido da reacção A, Ald-C12Br, com trietilamina, será obtido o Ald-Catiónico e um subproduto

(reacção C).

Esquema 1: Aldeídos a sintetizar.


Capítulo 3: Resultados e Discussão

20

A partir dos aldeídos sintetizados, bem como do Ald-OH, serão sintetizados novos

BODIPY’s, esquema 2. As reacções (D), (E), (F) e (G) serão realizadas de igual modo, aos

aldeídos será adicionado 3-etil-2,4-dimetilpirrole em meio ácido e posteriormente, os

dipirrilmetanos serão oxidadas com DDQ, no fim serão complexadas com BF3Et2O na presença

de N,N-diisopropiletilamina para dar origem aos Bodipy-OH, Bodipy-C12, Bodipy-C12Br e

Bodipy-Catiónico, respectivamente. Na reacção (H), vai-se partir do Bodipy-C12Br, sintetizado

previamente, que irá reagir com trietilamina para dar origem ao Bodipy-Catiónico. Assim sendo,

serão realizados dois métodos para a obtenção do Bodipy-Catiónico, reacção (G) e (H).

Esquema 2: BODIPY’s a sintetizar.



21

Por fim, como último passo, deseja-se montar e testar células solares orgânicas

aplicando os BODIPY’s sintetizados como camada activa, e utilizando concentrações variadas

de BODIPY e PCBM (aceitador:dador). A aplicação de BODIPY’s de cadeias longas alquílicas

numa célula solar pode induzir à formação de fases de cristal ordenadas líquida ou sólida, o que

pode ser vantajoso para a geração de carga.[78][79]



22



23


3.1 Síntese e caracterização de aldeídos

Como já mencionado anteriormente, o principal objectivo deste trabalho é sintetizar

novos derivados de BODIPY com cadeias longas alquílicas e catiónicas para aplicação em

células solares orgânicas. Para tal, pretendem-se utilizar a síntese de BODIPY a partir um de

derivado de pirrole juntamente com um aldeído, figura 10.

A síntese de éteres de Williamson (figura 12) permite obter éteres a partir de álcoois e

de haletos orgânicos. Nesta reacção, um ião alcóxido com um halogeneto de alquilo primário

reagem, a partir de uma reacção SN2.[80]

Os fenóis apresentam-se mais ácidos que os álcoois,

necessitando apenas de uma base fraca, tal como, o carbonato de potássio para originar o

fenóxido.[81]

Esta síntese é um método bastante eficaz para a obtenção de éteres simétricos e

assimétricos.

Figura 12: Mecanismo geral da síntese de éteres de Williamson.

A síntese dos aldeídos substituídos foi conseguida, através de alquilação de

3,5-dihydroxybenzaldehyde, utilizando um meio alcalino e um bromo-alcano como agente de

alquilação.

Figura 13: Mecanismo da síntese do Ald-C12Br.



24

A partir da síntese do Ald-OH (3,5-dihydroxybenzaldehyde) com um bromo-alcano, foi

possível obter um aldeído simétrico com cadeias de 12 carbonos lineares, o Ald-C12 e outro

aldeído, também simétrico, com cadeias de 12 carbonos lineares possuíndo nos carbonos dos

extremos de cada cadeia, um bromo, correspondendo ao Ald-C12Br. O solvente utilizado nestas

sínteses foi a butanona. Estas reacções ocorreram na presença de carbonato de potássio sob

agitação durante cerca de 22 horas a uma temperatura de 80 ºC, figura 13. Os produtos finais

foram filtrados, lavados e purificados por cromatografia em coluna de sílica, utilizando como

eluente, n-hexano para remoção do restante bromo-alcano e posteriormente uma mistura de

n-hexano e DCM numa razão de 1:2 para remoção dos compostos desejados.

No caso do aldeído catiónico, este foi obtido, a partir da síntese de sal de amónio,

utilizando o Ald-C12Br previamente sintetizado juntamente com trietilamina, figura 14.[82]

O

solvente utilizado nesta reacção foi o DCM. A reacção permaneceu em agitação durante 44 horas

a uma temperatura de cerca de 40 ºC. O produto final foi purificado por cromatografia em coluna

de sílica, utilizando DCM para remover restos de Ald-C12Br seguido por uma mistura de

H2O/NaCl(aq)sat

/acetonitrilo numa razão de 1:1:8 para obter o aldeído desejado.

Figura 14: Mecanismo da síntese do Ald-Catiónico.

No capítulo 5, estão apresentados, com detalhe, as sínteses dos aldeídos. A figura 15

representa as estruturas de cada aldeído, utilizado e sintetizado, neste trabalho. Estes compostos



25

foram analisados através de espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogénio e

COSY de modo a verificar a sua pureza.

(1)

Ald-OH

(2)

Ald-C12

(3)

Ald-C12Br

(4)

Ald-Catiónico

Figura 15: Aldeídos utilizados neste trabalho.

As principais características que se evidênciam nos espectros de 1H-RMN relativamente

aos aldeídos substituídos é a ausência dos sinais de hidróxilo o que corresponde a eterificação

completa do precursor 3,5-dihidroxibenzaldeido. A figura 16 representa os espectros de 1H-RMN

dos Ald-OH, Ald-C12 e Ald-C12Br. No Ald-OH é visível o sinal correspondente ao hidrogénio

do aldeído com desvio químico (δ) de 9,78 ppm. De seguida, os sinais correspondentes ao

hidrogénios do grupo arilo com δ entre 6,73 e 6,51 ppm. Os sinais de hidróxilo não são visíveis

devido à presença de água proveniente do DMSO. O Ald-C12 e Ald-C12r apresentam espectros

semelhantes. O primeiro sinal corresponde ao hidrogénio do aldeído com um ligeiro desvio do δ

a 9,89 ppm, seguido de dois sinais correspondentes aos hidrogénios do grupo arilo com δ entre

6,98 e 6,69 ppm. O sinal correspondente aos hidrogénios ligados aos carbonos directamente

ligados aos átomos de oxigénios apresentam-se com δ a 3,98 ppm. No caso do Ald-C12Br existe

um sinal extra correspondente aos hidrogénios ligados aos carbonos directamente ligados aos

átomos de bromo a δ 3,40 ppm. Os restantes sinais, em ambos os espectros, correspondem aos

hidrogénios das cadeias alquílicas apresentando um desvio químico entre 1,79 e 0,88 ppm.

O COSY representado na figura 17 diz respeito ao Ald-C12Br e apresenta a correlacção

espectroscópica dos sinais correspondentes a (d), (e), (f) e (g). Os dois primeiros sinais, (d) e (e)

correspondem aos hidrogénios ligados aos carbonos directamente ligados aos átomos de

oxigénio e de bromo. Os outros sinais, (f) e (g) dizem respeito aos sinais dos hidrogénios ligados

aos restantes carbonos.



26

Figura 16: Espectros de 1H-RMN do Ald-OH, em DMSO; Ald-C12; e Ald-C12Br, em CDCl3. Nota: os protões (f) do espectro do Ald-C12 e (g) do

espectro do Ald-C12Br não são magneticamente equivalentes, mas os seus desvios são tão próximos que são todos representados pela mesma letra, (f) e (g).



27

Figura 17: Espectro de COSY do Ald-C12Br, em CDCl3.

A figura 18 representa o 1H-RMN do Ald-Catiónico, composto obtido a partir do

Ald-C12Br. Neste espectro é visível igualmente o sinal correspondente ao hidrogénio do aldeído

com um pequeno desvio do δ de 9,89 ppm para 9,81 ppm. De seguida os sinais correspondentes

aos hidrogénios do grupo arilo com δ entre 6,94 e 6,52 ppm e correspondente aos hidrogénios

ligados aos carbonos que se encontram directamente ligados aos átomos de oxigénio, um sinal

com δ a 4,74 ppm. O sinal com δ entre 4,10 e 3,19 ppm corresponde aos hidrogénios dos

carbonos ligados ligados directamente aos átomos de azoto. Por fim, os sinais com δ entre 2,23 e



28

1,28 ppm dizem respeito aos restantes hidrogénios das cadeias alquílicas e aos hidrogénios

ligados aos carbonos nos extremos das ligações com os átomos de azoto.

Figura 18: Espectro de 1H-RMN do Ald-catiónico em D2O. Nota: os protões (f) e (g) não são magneticamente equivalentes, mas os seus desvios são tão próximos que são todos representados pela mesma letra, (f) e (g).

Figura 19: Aldeído original e aldeídos sintetizados. Da esquerda para a direita: Ald-OH; Ald-C12Br; Ald-C12 e; Ald-Catiónico.

O aspecto físico dos aldeídos sintetizados, figura 19, à temperatura ambiente, é de um

sólido branco/beje, enquanto que o Ald-OH se apresenta com uma tonalidade beje escuro. A

tabela 3 apresenta o aspecto físico, os pontos de fusão e os rendimentos dos aldeídos que

oscilaram entre 29 e 90 %.



29

Tabela 3: Aspectos físicos, pontos de fusão e rendimentos dos aldeídos sintetizados.

Composto Aspecto físico à

temperatura ambiente

Ponto de fusão

(primeiro aquecimento) η (%)

Ald-OH Sólido beje escuro 89,11 ˚C e 160,17 ˚C -

Ald-C12 Sólido bege claro 39,04 ˚C 42

Ald-C12Br Sólido bege claro 51,02 ˚C 29

Ald-Catiónico Sólido bege claro Degrada-se a cima dos

110 ˚C 90

Ao observar o comportamento do Ald-OH através de calorimetria diferencial de

varimento, DSC, foi possível identificar dois pontos de fusão, num primeiro aquecimento,

correspondentes a 89,11 e 160,17 ˚C, e, num segundo aquecimento, apenas um ponto de fusão,

correspondente a 156,72 ˚C (figura 20). Os valores mais elevados coincidem com os tabelados,

no qual, assumem que o ponto de fusão do Ald-OH se encontra entre 153 e 158 ˚C.[83]

Nas

curvas de DSC de arrefecimento da figura 21 é notório que a cristalização tanto no primeiro,

como no segundo arrefecimento, não é completa, ocorrendo essencialmente por volta dos

150 ˚C.

O pico estreito e intenso durante o primeiro aquecimento, o desnível do ponto de fusão

mais elevado no segundo aquecimento e o arrefecimento não completo, são comportamentos

característicos de um polimorfo, ou seja, no estado sólido, o Ald-OH pode apresentar mais do

que uma forma cristalina, no entanto, mais estudos deverão ser realizados para confirmar este

aspecto.

O facto de, no primeiro aquecimento, o ponto de fusão à temperatura mais elevada

apresentar um pico mais intenso do que o pico do segundo aquecimento (figura 20), corresponde

ao facto de a fusão do segundo aquecimento requerer menos energia do que no processo de

transição de fase anterior.

A adição de uma cadeia alquílica ao Ald-OH, originou um aumento da solubilidade dos

aldeídos sintetizados em solventes apróticos polares. Como por exemplo, o Ald-OH não é

solúvel em DCM, mas por outro lado, os aldeídos sintetizados já são, à excepção do aldeído

catiónico, pois este apresenta uma solubilidade extremamente fraca. O facto de os aldeídos

apresentarem uma boa solubilidade, é uma mais valia para os métodos de síntese seguintes,

como a síntese de BODIPY’s.



30

Figura 20: Curvas de DSC de aquecimento do 1º e 2º aquecimento do Ald-OH (m = 1,84 mg); do Ald-C12Br (m = 1,26 mg); do Ald-C12 (m = 1,91 mg) e do Ald-Catiónico (m = 1,23 mg), k = 10 ˚C.min

-1.

Figura 21: Curvas de DSC do 1º e 2º arrefecimento do Ald-OH (m = 1,84 mg), k = 10 ˚C.min-1

.

Como visível na figura 20, o Ald-C12 apresenta um ponto de fusão de 39,04 ˚C e o

Ald-C12Br um ponto de fusão de 51,02 ˚C, ou seja, devido ao efeito do bromo, as forças de

dispersão de London são mais fortes, dando origem a um aumento do ponto de fusão. As forças

de dispersão de London têm origem na oscilação da densidade electrónica de cada átomo,

induzindo assim, um momento eléctrico entre átomos próximos fazendo com que estes se



31

atraiam, assim sendo, a adição de bromo à cadeia alquílica promove a interacções dipolo-dipolo

mais fortes.[84]

Para o Ald-Catiónico não foi possível determinar o seu ponto de fusão, pois, como é

visível na curva de DSC de aquecimento da figura 20, há uma degradação da amostra com início

aos 110 ˚C.

Foram realizados estudos de infravermelho para todos os aldeídos. Na figura 22,

encontra-se o Ald-OH, espectro a preto, que apresenta bandas características entre ~3500 e

~3250 cm-1

correspondente à vibração de elongação O-H e a 1679 cm-1

correspondente à ligação

C=O (grupo formila) do aldeído.

Comparando os espectros do Ald-OH com o espectro do Ald-C12, espectro a azul,

observa-se o surgimento de uma banda entre ~2960 e ~2850 cm-1

, correspondente às ligações

C-H das cadeias alquílicas. A banda correspondente à ligação do grupo formila sofreu um ligeiro

deslocamento, apresentando-se agora a 1684 cm-1

.

Finalmente, comparando o espectro do Ald-C12Br, espectro a vermelho, com o espectro

do Ald-OH, é notório, novamente, o aparecimento da banda entre ~2960 e ~2850 cm-1

,

correspondente às ligações C-H das cadeias alquílicas. Mais uma vez, a banda da ligação do

grupo formila, sofre um deslocamento, surgindo a 1708 cm-1

. Os espectros do Ald-C12 e

Ald-C12Br apresentam uma enorme semelhança entre eles, excepto numa pequena zona da

impressão digital, onde surge uma pequena banda a ~640 cm-1

que diz respeito à elongação

C-Br.



32

Figura 22: Espectros de infravermelho dos compostos: Ald-OH; Ald-C12Br; e, Ald-C12.

Na figura 23 estão representados os espectros de infravermelho do Ald-C12Br (espectro

a vermelho) e Ald-Catiónico (espectro a preto). Comparando estes dois espectros é possível

observar algumas diferenças, sendo a principal, o aparecimento de uma banda larga entre ~3600

e ~3200 cm-1

que corresponde à vibração da ligação C-N+. No entanto, esta perdeu definição

devido à presença de água. Outras diferenças correspondem à banda da ligação C-H das cadeias

alquílicas que surge menos intensa, e à banda da ligação C=O que agora aparece a 1650 cm-1

.

Relativamente à zona correspondente à impressão digital, zona entre 1250 e 500 cm-1

, também

são visíveis algumas diferenças.



33

Figura 23: Espectros de infravermelho dos compostos: Ald-C12Br e Ald-Catiónico.

3.2 Síntese de BODIPY’s

A utilização de BODIPY’s em células solares orgânicas tem vindo a aumentar, tendo já

sido alcançada uma eficiência de cerca de 10 %. A adição de cadeias longas alquílicas e

catiónicas ao núcleo do BODIPY surge no intuito de aumentar a aplicabilidade dos BODIPY’s

em solução nos dispositivos solares orgânicos, nos quais desempenharia o papel de dador de

electrões.

A síntese dos Bodipy’s teve início com a preparação dos aldeídos sintetizados

anteriormente na secção 3.1.

Os BODIPY’s são usualmente sintetizados a partir do acoplamento de pirróis na

presença de um aldeído em meio ácido, sendo posteriormente o dipirrilmetano oxidado com

DDQ e complexado com boro di-substituido com átomos de fluor, figura 24.[71]

Esta síntese envolveu a condensação do aldeído inicial e aldeídos di-substituídos com

3-etil-2,4-dimetilpirrole, numa proporção de cerca de 1:2,5 equivalentes, na presença de ácido



34

trifluoroacético (TFA) dando origem a dipirrometanos. De seguida, oxidou-se para

dipirrometenos com 2,3-dicloro-5,6-dicyano-p-benzoquinona (DDQ). E por fim, complexou-se

com BF3Et2O na presença de N,N-diisopropiletilamina, dando origem aos compostos desejados

(figura 25).

Figura 24: Procedimento geral para a síntese de BODIPY’s. i) TFA; ii) DDQ; iii) N,N-diisopropiletilamina e BF3Et2O.

Figura 25: Mecanismo da síntese dos BODIPY’s.

A obtenção dos BODIPY’s catiónicos foi realizada através da utilização do

Bodipy-C12Br, previamente sintetizado, com trietilamina através da síntese de sal de amónio.

Devido à reduzida solubilidade do Ald-Catiónico, não foi possível aplica-lo para a realização de

sínteses de BODIPY’s.

A figura 26 representa os BODIPY’s obtidos. Um radical fenilo di-substituído ligado ao

núcleo do BODIPY na posição 8 é a base de todos os BODIPY’s sintetizados. O fenilo pode ser

substituído, dando origem a BODIPY’s simétricos, com: dois hidrogénios; duas cadeias de doze

carbonos; duas cadeias de doze carbonos e ligado ao último carbono um átomo de bromo; e duas

cadeias de doze carbonos e ligada ao último carbono, brometo de trietilamónio, são



35

respectivamente, o Bodipy-OH, Bodipy-C12, Bodipy-C12Br e Bodipy-Catiónico. O BODIPY

assimétrico que se obteve foi o Bodipy-Mono-Catiónico, onde o fenilo é substituído com uma

cadeia de doze carbonos e ligada ao último carbono, bromo e outra cadeia, igualmente de doze

carbonos, na qual o último carbono se encontra ligado a brometo de trietilamónio.

Todas as sínteses foram realizadas sob atmosfera de azoto, à excepção da síntese de sal

de amónio. As suas evoluções foram observadas através de cromatografia de camada fina, TLC.

Após o término das reacções, procedeu-se à purificação por extração com DCM, e lavagem com

água e solução saturada de NaCl, seguida de secagem com Na2SO4 anidro e evaporação de

solventes. Os produtos finais desejados foram obtidos após realizar cromatografia em coluna de

sílica. Destas sínteses, resultaram produtos com rendimentos entre 15 e 64 %.

Até à conclusão deste trabalho não foi possível obter o Bodipy-Catiónico no seu estado

puro. Mas o Bodipy-Mono-Catiónico foi obtido em estado de grande pureza e usado nos estudos

seguintes.

(5)

Bodipy-OH

(6) Bodipy-C12

(7) Bodipy-C12Br

(8)

Bodipy-Mono-

Catiónico

(9)

Bodipy-Catiónico

Figura 26: Bodipy’s sintetizados e utilizados neste trabalho.



36

Figura 27: Bodipy’s sintetizados. Da esquerda para a direita: Bodipy-C12; Bodipy-C12Br; Bodipy-OH; BODIPY-Mono-Catiónico; e Bodipy-Catiónico.

A figura 27 apresenta o aspecto físico dos BODIPY’s sintetizados. Na tabela 4 há

informação complementar ao seu aspecto físico, bem como o seu respectivo rendimento. À

temperatura ambiente, os BODIPY’s apresentam-se sob a forma de um líquido viscoso, à

excepção dos Bodipy-OH e Bodipy-Catiónico que se apresentam sob a forma de um pó

vermelho escuro e rosa avermelhado, respectivamente.

Tabela 4: Aspecto físico e rendimento dos Bodipy’s sintetizados à temperatura ambiente.

Composto Aspecto físico à temperatura

ambiente η (%)

Bodipy-OH Sólido vermelho escuro 15

Bodipy-C12 Fluído viscoso laranja

avermelhado escuro 64

Bodipy-C12Br Fluído viscoso laranja


BODIPY-Mono-Catiónico Fluído viscoso rosa


Bodipy-Catiónico Sólido rosa avermelhado -

Prepararam-se soluções em DCM dos BODIPY’s sintetizados, à excepção do

Bodipy-OH, todos são extremamente solúveis neste solvente. Sob iluminação de luz ambiente, as

soluções apresentam uma coloração alaranjada, figura 28. Quando expostas sob uma luz de

365 nm, as soluções apresentam uma fluorescência extraordinariamente intensa de cor laranja

amarelado, figura 29.



37

Figura 28: Bodipy’s sintetizados em solução de DCM à luz ambiente. Da esquerda para a direita: Bodipy-OH; Bodipy-C12; Bodipy-C12Br; BODIPY-Mono-Catiónico.

Figura 29: Bodipy’s sintetizados em solução de DCM sob luz a 365 nm. Da esquerda para a direita: Bodipy-OH; Bodipy-C12; Bodipy-C12Br; BODIPY-Mono-Catiónico.

A caracterização dos compostos obtidos foi realizada por 1H-RMN, COSY e

19F-RMN.

Os resultados de 1H-RMN encontram-se descritos em seguida. No entanto, a principal

característica que se evidencia no 1H-RMN, é o consumo do aldeído que se observa através da

ausência de sinal do aldeído na zona de 9,89 ppm. O restante espectro resulta dos sinais do

pirrole substituído e do aldeído que reagiram. A figura 30 representa os espectros 1H-RMN do

Bodipy-OH, Bodipy-C12 e Bodipy-C12Br. No Bodipy-OH, são visíveis dois sinais

correspondentes aos hidrogénios do arilo com desvios químicos (δ) entre 6,42 e 6,22 ppm. Os

Bodipy-C12 e Bodipy-C12Br apresentam um ligeiro desvio destes sinais com δ entre 6,56 e

6,43 ppm, e um novo sinal com δ entre 3,95 e 3,93 que diz respeito ao sinal atribuído aos átomos

de hidrogénio ligados aos carbonos que estão directamente ligados aos átomos de oxigénio. No

caso do Bodipy-C12Br existe ainda outro sinal correspondente ao sinal dos átomos de hidrogénio

ligados ao carbono que está ligado ao bromo com δ a 3,40 ppm. De seguida, seguem-se para

todos os BODIPY’s os sinais dos hidrogénios do pirrole com δ entre 2,60 e 1,46 ppm e,

finalmente os hidrogénios das cadeias alquílicas para o Bodipy-C12 e Bodipy-C12Br. O COSY,

da figura 31, apresenta-nos a correlação espectroscópica dos sinais obtidos, mais concretamente

dos sinais correspondentes a (g), (h) e (j), que correspondem à cadeia alquílica.



38

Figura 30: Espectros de 1H-RMN de: Bodipy-OH em DMSO; Bodipy-C12 e Bodipy-C12Br, em CDCl3. Nota: os protões (h) do espectro do Bodipy-C12 e (j) do espectro do Bodipy-C12Br não são magneticamente equivalentes, mas os seus desvios são tão próximos que são todos representados pela mesma letra, (h) e (j).



39

Figura 31: Espectro de COSY do Bodipy-C12Br, em CDCl3.

A figura 32 representa 1H-RMN do Bodipy-Mono-Catiónico, composto obtido a partir

do Bodipy-C12Br. No Bodipy-Mono-Catiónico são visíveis igualmente os sinais

correspondentes aos hidrogénios do arilo e aos hidrogénios ligados aos carbonos ligados aos

átomos de oxigénio, com δ semelhantes ao Bodipy-C12Br. De seguida, apresentam-se dois sinais

correspondentes aos hidrogénios ligados aos carbonos que estão directamente ligados ao átomo

de azoto e ligado ao átomo de bromo, com δ entre 3,49 e 3,23 ppm, respectivamente. Os sinais

dos hidrogénios do pirrole encontram-se com δ entre 2,50 e 1,44 ppm. Por fim, temos os sinais

correspondentes aos hidrogénios das cadeias alquílicas e aos hidrogénios ligados aos carbonos



40

nos extremos da ligação com o azoto. No COSY da figura 33, observam-se as correlações

correspondentes aos sinais (h), (i), (k) e (l). É notória uma sobreposição dos sinais (h) e (i), que

correspondem aos hidrogénios ligados aos segundos carbonos ligados ao bromo, azoto e

oxigénios. No caso dos sinais de hidrogénio correspondentes a (k) e (l), observa-se novamente

uma sobreposição, desta vez, dos sinais dos hidrogénios das cadeias alquílicas com os sinais dos

hidrogénio ligados aos carbonos dos extremos da ligação com o átomo de azoto.

Figura 32: Espectro de 1H-RMN do Bodipy-Mono-Catiónico, em CDCl3. Nota: os protões (k) do espectro do Bodipy-Mono-Catiónico não são

magneticamente equivalentes, mas os seus desvios são tão próximos que são todos representados pela mesma letra, (k).



41

Figura 33: Espectro de COSY do Bodipy-Mono-Catiónico, em CDCl3.



42

19F-Bodipy-Mono-Cat.esp

-132 -134 -136 -138 -140 -142 -144 -146 -148 -150 -152 -154 -156 -158

Chemical Shift (ppm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Norm

alized Inte

nsity

Figura 34: Espectro de 19

F-RMN do Bodipy-Mono-Catiónico, em CDCl3.

O 19

F-RMN mostrou um quarteto na zona de -145 ppm em todos os BODIPY’s

estudados, provando o acoplamento do flúor com o núcleo de boro, tal como era esperado. Na

figura 34 está representado o 19

F-RMN do Bodipy-Mono-Catiónico.

Estudos de infravermelho foram realizados para o Bodipy-OH, na figura 35, estão

representados os espectros do Ald-OH, espectro a preto, e do Bodipy-OH, espectro a vermelho.

Comparando estes dois espectros, observa-se uma diferença relativamente à banda

correspondente à elongação O-H que surge entre ~3600 e ~3400 cm-1

. O desaparecimento da

banda a 1679 cm-1

confirma o consumo do aldeído.

Foram realizados ainda diversos estudos fotofísicos e electroquímicos, que serão

abordados na próxima secção.



43

Figura 35: Espectros de infravermelho dos compostos: Ald-OH e Bodipy-OH.

3.2.1 Caracterização fotofísica e electroquímica de BODIPY’s

Tal como mencionado anteriormente no capítulo 1, os BODIPY’s são moléculas que

possuem uma forte absorção na faixa entre 500 a 550 nm, elevados coeficientes de absortividade

molar, bandas de absorção e emissão bastante nítidas, reduzidos desvios de Stokes e elevados

rendimentos quânticos de fluorescência.

No presente estudo, os compostos sintetizados foram avaliados através de espectros de

UV-Vis de absorção, emissão e excitação e posteriormente foram realizados cálculos a partir dos

dados obtidos. Todos os espectros de BODIPY’s foram obtidos utilizando como solvente

tolueno, à excepção do Bodipy-OH no qual foi utilizado etanol, figuras 36 a 39.

Os rendimentos quânticos de fluorescência dependem do movimento molecular e da

flexibilidade, no caso das moléculas sintetizadas neste trabalho, estas apenas diferem nos

substituintes do grupo fenoxi ligado à posição meso do núcleo do BODIPY. Na tabela 5, é

possível observar os rendimentos quânticos dos compostos que se aproximam dos 83 %, o que

indica que a adição de cadeias longas alquílicas e catiónicas não interfere nos valores dos

rendimentos. Os coeficientes de extinção molar, ε, variam entre 6,78x103

M-1

cm-1

e



44

7,39x104 M

-1cm

-1, sendo o menor valor atribuído ao Bodipy-Mono-Catiónico e o maior ao

Bodipy-C12Br.

Tabela 5: Propriedades fotofísicas dos Bodipy’s sintetizados, utilizando rodamina-6G como referência e tolueno como solvente. *Bodipy-OH utilizou etanol como solvente.

Composto Bodipy-C12 Bodipy-C12Br Bodipy-OH* Bodipy-Mono-

Catiónico

Absorçãomax

(nm) 526,7 526,9 521,9 527,3

Emissãomax

(nm) 539 539 533 538

Rendimento

Quantico (%) 77,57 78,70 86,99 89,27

Desvio de

Stokes (nm) 12,3 12,1 11,1 10,7

O espectro de emissão representa a intensidade de fluorescência em função do

comprimento de onda de emissão. E representa a transição do menor nível vibracional do

primeiro estado excitado, S1, para o estado fundamental, S0. O espectro de excitação representa a

intensidade de fluorescência em função do comprimento de onda da luz de excitação.[85]

Nas figuras 36 a 39, observa-se que os espectros de excitação coincidem com os

espectros de absorção permitindo concluir que a luz emitida é oriunda do estado excitado

singleto, não possuíndo contribuição de transferência de carga nem de outro estado excitado. Os

espectros de fluorescência (emissão) mostram uma imagem no espelho relativamente ao espectro

de absorção, sendo o máximo de emissão em torno de 539 nm, para todos os BODIPY’s à

excepção do Bodipy-OH que apresenta o seu máximo de emissão a 533 nm. Isto representa um

reduzido desvio de Stokes, o que implica que os níveis vibracionais se encontram espaçados de

um modo idêntico no estado fundamental e no estado excitado.



45

Figura 36: Espectros normalizados para o Bodipy-C12, em tolueno. Fluorescência (curva a preto); absorção (curva a vermelho); excitação (curva a azul).

Figura 37: Espectros normalizados para o Bodipy-C12Br, em tolueno. Fluorescência (curva a preto); absorção (curva a vermelho); excitação (curva a azul).

Figura 38: Espectros normalizados para o BODIPY-OH, em etanol. Fluorescência (curva a preto); absorção (curva a vermelho); excitação (curva a azul).

Figura 39: Espectros normalizados para o BODIPY-Mono-Catiónico, em tolueno. Fluorescência (curva a preto); absorção (curva a vermelho); excitação (curva a azul).

O estudo das propriedades electroquímicas de um composto químico permite obter

informações bastante relevantes à cerca do seu comportamento redox, tanto a nível do

comportamento termodinâmino, como a nível do comportamento cinético. No caso de compostos

fotoactivos permite obter valores absolutos de energias HOMO e LUMO, as quais são

importantes para a caracterização do seu estado excitado. Nos compostos utilizados para

aplicação em células solares orgânicas, é de extrema importância obter os potências de oxidação

e redução, pois é a partir do estado excitado que ocorre a transferência de electrões. A

reversibilidade dos processos de oxidação e redução é também importante, pois permite prever a

estabilidade do composto como sensibilizador de células solares orgânicas.

A voltametria cíclica consiste num varrimento de potencial de um eléctrodo de trabalho

que se encontra mergulhado numa solução, medindo assim a corrente contínua resultante,

relativamente a um eléctrodo de referência. Isto permite obter um voltamograma que fornece



46

informações sobre os potenciais de oxidação e redução e a sua reversibilidade. As reacções que

ocorrem são, a redução das espécies oxidadas (Ox) e, a oxidação das espécies reduzidas (Red),

através da transferência de um determinado número de electrões (n).

Ox + n e- Red

A seta dupla significa reversibilidade química, ou seja, a forma oxidada da espécie em

solução pode ser regenerada a partir da forma reduzida. Isto significa que o produto é estável na

escala temporal da experiência voltamétrica. Após a inversão do potencial, ocorre a observação

para a reacção inversa.

Para aumentar a condutividade eléctrica, por vezes, é adicionado um electrólito à

solução. Também é possível adicionar um padrão interno para calibração. Quando se usam

compostos orgânicos e solventes orgânicos, o eléctrólito utilizado é um sal de tetra-alquil-

amónio e o padrão interno usual é o ferroceno.

Os voltamogramas cíclicos foram realizados para o Bodipy-C12, Bodipy-C12Br e

Bodipy-Mono-Catiónico em soluções de 1,2-dicloroetano desoxigenado contendo 0,1 M de

tetrafluoroborato de tetrabutilamónio (TBATFB) a uma velocidade de varrimento de 0,5 mV.s-1

e utilizando ferroceno como padrão interno de referência. Os voltamogramas cíclicos obtidos

para os BODIPY’s apresentam características semelhantes, figuras 40 a 42.

Não foram realizados testes de voltametria cíclica ao Bodipy-OH, devido ao facto de

este apresentar reduzida solubilidade, não sendo solúvel em 1,2-dicloroetano, nem ao

Bodipy-Catiónico, por este não estar completamente puro.



47

Figura 40: Voltamogramas cíclicos sem ferroceno, registado com GCE em meio desoxigenado de 0,1 M de TBATFB em dicloroetano a uma velocidade de 50 mV.s

-1, contendo ~1 mM de Bodipy. Bodipy-C12Br (voltamograma a preto), Bodipy-C12

(voltamograma a vermelho), e BODIPY-Mono-Catiónico (voltamograma a azul).

Figura 41: Voltamogramas cíclicos com 1mM de ferroceno, 1º varrimento, registado com GCE em meio desoxigenado de 0,1 M de TBATFB em dicloroetano a uma velocidade de 50 mV.s

-1, contendo ~1 mM de Bodipy. Bodipy-C12Br (voltamograma a preto),

Bodipy-C12 (voltamograma a vermelho), e BODIPY-Mono-Catiónico (voltamograma a azul).

O ferroceno é utilizado como um mediador de electrões, facilitando assim a sua

mobilidade. Entre os voltamogramas cíclicos obtidos com e sem ferroceno, figuras 40 e 41,

observa-se uma ligeira diferença entre os picos, este facto deve-se à interacção entre o ferroceno

e o composto. Comparando o primeiro e segundo varrimento, figuras 41 e 42, é de salientar que

existe uma pequena diferença entre os voltamogramas, o que significa que a redução não é

completamente reversível.



48

Figura 42: Voltamogramas cíclicos com 1mM de ferroceno, 2º varrimento, registado com GCE em meio desoxigenado de 0,1 M de TBATFB em dicloroetano a uma velocidade de 50 mV.s

-1, contendo ~1 mM de Bodipy. Bodipy-C12Br (voltamograma a preto),

Bodipy-C12 (voltamograma a vermelho), e BODIPY-Mono-Catiónico (voltamograma a azul).

Os resultados obtidos para a HOMO e LUMO, no caso do primeiro varrimento com

ferroceno e sem ferroceno, apresentaram-se bastante semelhantes, pelo que, apenas se

apresentam os resultados para o primeiro varrimento com ferroceno.

Os potenciais redox representados na tabelas 6 apresentam valores de potenciais de

oxidação entre 1,184 e 1,246 V. Os valores de potencial de redução variam entre -1,110 e

-1,157 V. Devido ao facto de os picos dos voltamogramas não serem bem perceptíveis, estes

valores de HOMO e LUMO são preliminares.

Os valores de potencial de redução, tanto no primeiro, como no segundo varrimento,

mantêm-se constantes. Por outro lado, os valores de potencial de oxidação sofrem uma ligeira

alteração, tabela 7, variando entre 1,188 e 1,229 V. Isto confirma que a reacção não é

completamente reversível.



49

Tabela 6: Valores de potencial de oxidação/redução e correspondente afinidade electrónica (Ea), potencial de ionização (Ip) e energia gap (Eg) extraídos a partir de voltametria cíclica. Com ferroceno, 1º varrimento.

Composto Ered / V -Ea (ELUMO) / eV Eox / V -Ip (EHOMO)/ eV Eg / eV

Bodipy-

C12 -1,157 -3,243 1,207 -5,607 2,364

Bodipy-

C12Br -1,130 -3,270 1,184 -5,584 2,314

Bodipy-

Mono-

Catiónico

-1,110 -3,290 1,246 -5,646 2,356

Tabela 7: Valores de potencial de oxidação/redução e correspondente afinidade electrónica (Ea), potencial de ionização (Ip) e energia gap (Eg) extraídos a partir de voltametria cíclica. Com ferroceno, 2º varrimento.

Composto Ered / V -Ea (ELUMO) / eV Eox / V -Ip (EHOMO)/ eV Eg / eV

Bodipy-

C12 -1,157 -3,243 1,210 -5,610 2,367

Bodipy-

C12 Br -1,130 -3,270 1,188 -5,588 2,318

Bodipy-

Mono-

Catiónico

-1,110 -3,290 1,229 -5,629 2,339

3.3 Estudo da aplicação de BODIPY’s em células solares orgânicas

A utilização de células solares de heterojunção dispersa, BHS, é de elevado interesse,

devido essencialmente ao seu reduzido custo de fabrico, ao seu diminuto peso e à flexibilidade

dos dispositivos fotovoltaicos.

Neste trabalho, pretendeu-se adicionar cadeias alquílicas longas e catiónicas ao núcleo

do BODIPY. A utilização destes tipos de cadeias na preparação de células solares podem induzir

a formação de aglomerados, fases cristalinas sólidas ou líquidas ordenadas. Para além disto, a

presença de cadeias alquílicas hidrofóbicas podem originar uma diminuição da recombinação

entre os electrões injectados e o eléctrólito.[86][79]

Os BODIPY’s sintetizados utilizados nestes estudos para células solares orgânicas

possuem baixos pontos de fusão. Foram estudados os seguintes BODIPY’s: o Bodipy-C12, o

Bodipy-C12Br e o Bodipy-Mono-Catiónico, as suas caracteristicas fotofísicas encontram-se na

tabela 5.

Como mencionado no capítulo 1, as células solares orgânicas de camada fina são

caracterizadas pelo facto de possuírem três interfaces: eléctrodo/dador, dador/aceitador, e



50

aceitador/eléctrodo.[87]

As moléculas que apresentam função de doar electrões caracterizam-se

pela presença de electrões π. Estes electrões podem ser excitados ocorrendo uma mudança de

energia de HOMO para LUMO, denominando-se por, transição π-π. A energia que é necessária

para que ocorra esta transição é o que determina o comprimento de onda máximo que pode ser

convertida em energia eléctrica. A diferença de energia entre os níveis HOMO e LUMO do

dador e aceitador está directamente relacionada com a força electromotriz do dispositivo.[88][89]

Para a construção de um dispositivo solar orgânico devem ser tomados em consideração

os seguintes factores: a banda de absorção deve ser larga e forte na região do visível e

infravermelho próximo, de modo a coincidir com o espectro solar, aumentando assim Jsc; os

níveis de energia LUMO e HOMO devem ser adequados, de modo a facilitar a dissociação de

excitões na interface dador/aceitador, e assim, atingir Voc mais elevados; elevada mobilidade dos

portadores de carga para melhorar a eficiência de transporte de carga aumentando FF dos

dispositivos; elevada solubilidade para processamento de soluções no fabrico de células BHS; e

optimização da morfologia e separação de fases em nanoescala da mistura de camada activa que

vão influenciar Jsc, Voc e FF.

A situação que se deseja para que ocorra separação de carga em células BHS é, uma

situação na qual a energia LUMO do dador é superior à energia LUMO do aceitador e a energia

HOMO do dador é maior que a energia HOMO do aceitador.

Nas tabelas 6 e 7 apresentam-se as energias HOMO e LUMO dos compostos

sintetizados utilizados para preparar os dispositivos solares. Na literatura é possível obter estes

mesmos valores para o PCBM, composto utilizado juntamente com os BODIPY’s para preparar

a camada activa, e são eles, para a energia LUMO, -3,7 eV e para a energia HOMO, -6,1 eV.[90]

Através destes resultados pode-se concluir que as energias de orbital fronteira dos três

BODIPY’s são favoráveis para a aplicação destes compostos como dadores em células solares

orgânica, uma vez que, as suas energias de HOMO e LUMO se encontram acima das energias

HOMO e LUMO do material aceitador, o PCBM, figura 43.



51

Figura 43: Energia das orbitais de fronteira para os compostos utilizados nas células solares, BODIPY’s e PCBM.

A construção de uma célula solar orgânica consiste numa sequência de várias camadas

sobrepostas, figura 44. A preparação dos dispositivos consiste no revestimento de um substrato

de vidro com um eléctrodo transparente, usualmente ITO, correspondendo ao anôdo, de seguida

é revestido com uma camada de PEDOT:PSS, um polímero condutor. A camada activa consiste

numa mistura entre os compostos dadores, os BODIPY’s, e o composto aceitador, o PCBM, e é

aplicada sobre a camada PEDOT:PSS de modo a revestir o dispositivo por acção de rotação.

Finalmente um eléctrodo de metal, usualmente alumínio, é aplicado por deposição térmica sob

vácuo, correspondendo ao cátodo.

Figura 44: Estrutura de uma célula BHS.

Neste estudo foram construídos vários dispositivos utilizando substratos de vidro,

seguido de ITO coberto com uma camada de PEDOT:PSS, aplicação da camada activa e



52

finalmente deposição de alumínio. A camada activa sofreu variações de proporções de

BODIPY/PCBM, razão de 1:1, figura 45, razão de 2:1, figura 47, e razão de 1:2, figura 49. Estas

misturas foram preparadas a partir de soluções com 1,2-diclorobenzeno. A aplicação da camada

de PEDOT:PSS foi realizada através de centrifugação a 1800 rpm durante 50 segundos e

permaneceu em secagem durante 10 minutos a uma temperatura de 120 ˚C. A camada activa foi

depositada com centrifugação a 1200 rpm durante 60 segundos, seguida por secagem em vácuo.

Os dispositivos solares foram preparados e caracterizados por curvas de tensão corrente,

figuras 46, 48 e 50, sob iluminação de luz a 64 mW.cm-2

. As respostas fotovoltaicas encontram-

se nas tabelas 8, 9 e 10. A partir das curvas de tensão-corrente foi possível determinar os valores

de tensão de circuito aberto, Voc, corrente de curto-circuito, Jsc, eficiência de conversão de

energia, PCE e factor de preenchimento, FF.

Figura 45: Células solares orgânicas construídas com uma razão de 1:1 de centro activo e PCBM, com 16 mm2 de área activa.

(a) centro activo Bodipy-C12Br; (b) centro activo Bodipy-C12; e (c) centro activo BODIPY-Mono-Catiónico.

Analisando os resultados obtidos pelas células solares construídas com uma razão de

BODIPY/PCBM de 1:1, tabela 8, observa-se que os valores de Voc variam entre 0,183 V e

0,500 V e os valores de Jsc variam entre -0,0182 mA e -0,0311 mA para as células que

apresentavam Bodipy-C12 e Bodipy-C12Br respectivamente. Isto deu origem a factores de

preenchimento (FF) de 0,353 para o centro activo Bodipy-C12 e 0,277 para o centro activo

Bodipy-C12Br, e consequentemente eficiências na ordem de 0,0011 e 0,0041 %. No caso das

células testadas com Bodipy-Mono-Catiónico, estas formaram aglomerados, o que

provavelmente originou uma diminuição da recombinação entre os electrões injectados e o

electrólito, o que deu origem a curto-circuito na célula, Voc = 0 V.



53

Tabela 8: Resultados das células solares orgânicas de razão 1:1 de centro activo e PCBM sob iluminação de luz branca a 64 mW.cm

-2.

Voc (V) Jsc (mA) PCE (%) FF

Bodipy-C12Br 0,500 -0,0311 0,0041 0,277

Bodipy-C12 0,183 -0,0182 0,0011 0,353

Bodipy-Mono-Catiónico 0,000 -0,0250 - -

Figura 46: Curvas de tensão-corrente para as células solares orgânicas construídas com uma razão de 1:1 de centro activo e PCBM. Experiência no escuro, linha a preto; experiência sob iluminação de luz a 64 mW.cm

-2, linha a vermelho. (a) centro activo

Bodipy-C12; (b) centro activo Bodipy-C12Br; e (c) centro activo Bodipy-Mono-Catiónico.



54


(a) centro activo Bodipy-C12; (b) centro activo Bodipy-Mono-Catiónico.

Ao alterar a razão da camada activa para uma razão de BODIPY/PCBM de 2:1, tabela

9, observa-se uma diminuição dos valores de Voc e Jsc para 0,075 V e -0,0073 mA para as

células constituídas por Bodipy-C12, que corresponde a um aumento de FF para 0,378 e

nomeadamente, uma diminuição da eficiência para 0,0002 %. As células testadas com

Bodipy-Mono-Catiónico/PCBM numa razão de 2:1, formaram novamente aglomerados, mas

desta vez, em menor quantidade. Estas células voltaram a não apresentar bons resultados, tendo

novamente apresentado um comportamento de curto-circuito.


-2.


Bodipy-C12 0,075 -0,0073 0,0002 0,378

Bodipy-Mono-Catiónico 0,000 -0,0109 - -



55

Figura 48: Curvas de tensão-corrente para as células solares orgânicas construídas com uma razão de 2:1 de centro activo e PCBM. Experiência no escuro, linha a preto; experiência sob iluminação de luz a 64 mW.cm

-2, linha a vermelho. (a) centro activo

Bodipy-C12; e (b) centro activo Bodipy-Mono-Catiónico.


(a) centro activo Bodipy-C12Br.

Por fim, os últimos testes realizados utilizaram uma razão de Bodipy-C12Br/PCBM de

1:2. A tabela 10, apresenta os valores de Voc que aumentaram de 0,500 V para 0,675 V e os

valores de Jsc que diminuiram de -0,0311 mA para -0,0426 mA. Tendo em conta que os valores

de FF dependem do formato das curvas, há uma ligeira diminuição do seu valor, passando de

0,277 para 0,248. Por fim, como a eficiência é proporcional à tensão de circuito aberto, há um

aumento deste parâmetro de 0,0041 % para 0,0075 %.


-2.


Bodipy-C12Br 0,675 -0,0426 0,0075 0,248



56

Figura 50: Curvas de tensão-corrente para as células solares orgânicas construídas com uma razão de 1:2 de centro activo Bodipy-C12Br e PCBM. Experiência no escuro, linha a preto; experiência sob iluminação de luz a 64 mW.cm

-2, linha a vermelho.

Em geral, as células revelam alguma resposta ao varrimento de potencial, à excepção

das células construídas utilizando Bodipy-Mono-Catiónico. Apesar de estes resultados não

apresentarem eficiências muito grandes, experimentos futuros devem ser realizados de modo a

optimizar estes sistemas, como por exemplo, alteração nas proporções de dador-aceitador,

incluído a adição do dador F8T2, controlo da espessura da camada activa ou tratamento térmico

dos dispositivos.[91][ 92]


Capítulo 4: Conclusões

57


O principal objectivo deste estudo foi sintetizar novos derivados de BODIPY contendo

longas cadeias alquílicas e catiónicas, com o intuito de aplicação em células solares orgânicas.

Inicialmente foram preparados três aldeídos, e juntamente com o aldeído de partida,

todos foram caracterizados. Os aldeídos sintetizados possuíam cadeias alquílicas de doze

carbonos, variando entre si, no final das cadeias, onde um apresentava átomos de bromo ou

grupos de brometo de trietilamónio.

A ligação das cadeias alquílicas ao 3,5-dihydroxybenzaldehyde permitiu a solubilidade

destes compostos numa vasta gama de solventes orgânicos, o que é importante para futuras

aplicações. Em contraste, o aldeído que possuía brometo de trietilamónio tornou-se praticamente

insolúvel em solventes orgânicos.

A substituição das cadeias alquílicas originou um aumento do ponto de fusão,

novamente, excepção ao Ald-Catiónico que degrada a temperaturas superiores a 110 ˚C. O

estudo do Ald-OH deveria ser realizado com mais detalhe no futuro de modo a determinar

realmente a existência de formas polimórficas.

A partir dos aldeídos anteriores foi possível sintetizar derivados de BODIPY’s com

cadeias longas alquílicas. A partir do Bodipy-C12Br, foi possível obter BODIPY’s de cadeias

longas alquílicas catiónicas. Assim sendo, foi possível sintetizar cinco novos BODIPY’s, no

entanto, apenas quatro foram devidamentente caracterizados, pois o Bodipy-Catiónico não foi

possível de purificar no tempo deste trabalho experimental.

O Bodipy-OH, tal como o seu precursor, Ald-OH, apresenta uma menor solubilidade

em solventes orgânicos. Todos os outros são altamente solúveis.

Dos quatro BODIPY’s caracterizados, três apresentavam-se líquidos à temperatura

ambiente, apenas o Bodipy-OH se apresentava sólido. Isto permite concluir que a indrodução de

cadeias longas alquílicas originam derivados de BODIPY’s de baixo ponto de fusão. A

caracterização fotofísica permitiu concluir que os BODIPY’s sintetizados apresentam

propriedades bastante promissoras para a aplicação em células solares, tais como, absorção e

emissão dos espectros numa região adequada do espectro, elevados coeficientes de absorção

molar, bem como elevados rendimentos quânticos de fluorescência, boa solubilidade e

foto-estabilidade.



58

Para a construção das células solares orgânicas foram escolhidos os três BODIPY’s

mais solúveis, Bodipy-C12, Bodipy-C12Br e Bodipy-Mono-Catiónico. Estes compostos

actuaram como dadores de electrões. Como aceitador de electrões utilizou-se o PCBM. Assim as

células foram testadas a nível da capacidade de produção de energia a partir da absorção de luz

solar.

Apesar dos baixos rendimentos de conversão de luz em energia dos dispositivos solares,

utilizando Bodipy-C12 e Bodipy-C12Br, estes não eram nulos. Através de processos de

optimização, tais como: alterações das proporções de dador-aceitador; reforço da camada activa

com a incorporação do polímero F8T2; controlo da espessura da camada activa e tratamento

térmico dos dispositivos, será possível atingir resultados mais elevados.

No caso do Bodipy-Mono-Catiónico, os resultados relativamente ao rendimento de

conversão de luz foram nulos, isto deve-se provavelmente ao facto de a mistura da camada activa

formar aglomerados, originando uma diminuição entre a recombinação dos electrões injectados e

do electrólito. Porém mais estudos, nomeadamente em solventes polares próticos, são

necessários para esclarecer este assunto.

Para além da aplicação destes compostos em células solares orgânicas, poderão ainda

ser utilizados em estudos para marcadores biológicos e celulares.


Capítulo 5: Secção Experimental

59


5.1 Solventes e Reagentes

Todos os solventes utilizados (DCM, etanol, n-hexano, metanol) foram fornecidos pelo

armazém do Departamento de Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da

Universidade de Coimbra, provenientes do fornecedor José Manuel Gomes dos Santos, Lda.

O THF estabilizado com ~300 ppm de BHT foi adquirido no fornecedor Panreac ITW

Companies, e o éter de petróleo foi adquirido à Merck. Os solventes foram destilados e

posteriormente secos através de passagem em coluna de alumina neutra.

Para a síntese os aldeídos utilizaram-se os seguintes reagentes: butanona, vendida pela

Merck com uma pureza de 99,5 %, que foi destilada e seca previamente antes da utilização

por passagem em coluna de alumina; o carbonato de potássio, com uma pureza superior a

99 %; o 3,5-dihydroxybenzaldehyde, com pureza de 98 %; o 1,12-dibromododecano,

apresentado uma pureza de 98 %; o 1-bromododecano, cuja pureza é de 97 %, vendidos pela

Aldrich Inc.; e trietilamina, vendida pela Riedel-de Haën com uma pureza de 99 %, destilada

e seca por passagem em coluna de alumina neutra.

Para a síntese de BODIPY’s utilizaram-se os seguintes reagentes: o

3-etil-2,4-dimetilpirrole, com uma pureza de 97 %; o DDQ, com uma pureza de 98 %; a

N,N-diisopropiletilamina, com uma pureza de 99,5 %; o eterato de trifluoreto de boro,

vendidos pela Aldrich Inc.; o TFA, vendido pela Acros Organics com uma pureza de 99 %;

o acetronitrilo para HPLC, vendido pela Carlo Erba Reagents; e novamente a trietilamina.

Para a realização dos estudos de RMN, utilizou-se clorofórmio deuterado, com 99,8 %

de átomos de hidrogénio deuterados, dimetil sulfóxido, com 99,9 % de átomos de

hidrogénio deuterados e óxido de deutério, com 99,9 % de átomos de hidrogénio deuterados,

vendidos pela Aldrich Inc.. Para os estudos fotofísicos usou-se tolueno para HPLC, vendido

pela Merck extra puro, etanol para HPLC, vendido pela Carlo Erba Reagents e rodamina 6G

com ~ 95 % de pureza, vendida pela Aldrich Inc.. Nos estudos de voltametria cíclica foram

utilizados ferroceno e TBATFB puros, vendidos pela Fluka. Para a preparação das células

solares orgânicas utilizou-se ITO, PCBM, com uma pureza de 99,5 %, vendido pela

Solenne, PEDOT-PSS (CLEVIOS™ P VP AI 4083), vendido pela Heraeus, e

1,2-diclorobenzeno, com uma pureza superior a 99 %, vendida pela Acros Organics.



60

5.2 Instrumentação

5.2.1 Espectroscopia de Ultravioleta-Visível (UV-Vis)

Os espectros de absorção em UV-Vis foram adquiridos através do espectrofotómetro

Ocean Optics USB4000 e do espectrofotómetro Jasco V530 de duplo feixe de UV/Vis,

usando uma célula de quartzo com 1 cm de largura. Os espectros foram conseguidos contra

a referência do solvente.

5.2.2 Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

Os espectros de 1H,

19F e COSY foram realizados no espetrómetro Bruker AVANCE 400

MHz do Departamento de Química da Universidade de Coimbra. Os desvios químicos (δ)

apresentam-se descritos em partes por milhão, as constantes de acoplamento apresentam-se

em hertz e, como padrão interno foi utilizado tetrametilsilano, TMS. O solvente utilizado

foi, clorofórmio deuterado, exceto quando devidamente referenciado.

5.2.3 Espectroscopia de Infravermelho (FTIR-ATR)

Os espectros de infravermelho adquiridos foram registados à temperatura ambiente

através de um espectrofotómetro, Thermo Scientific, Nicolet 380 FT-IR, utilizando

amostragem directa por reflectância total atenuada (ATR) através do aparelho Smart Orbit

Diamond 30000-200 cm-1

. Para cada espectro foram realizados 64 varrimentos cuja

resolução foi de 4 cm-1

, sendo posteriormente, tratados os dados no programa Omnic 32.

5.2.4 Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC)

Para a obtenção das curvas de aquecimento/arrefecimento foi utilizado um DSC com

compensação de potência, Perkin-Elmer Pyris 1, utilizando-se como gás de purga, um fluxo

de azoto de 20 ml.min-1

. A calibração de temperatura foi realizada utilizando materiais de

referência certificados, bifenilo (CRMLGC 2610, Tfus = 68,93 ± 0,03 ˚C), índio

(Perkin-Elmer, x = 99,99 %, Tfus = 156,60 ˚C) e cafeína (substância de calibração Mettler

Toledo, ME 18 872, Tfus = 235,6 ± 0,2 ˚C). A calibração de entalpia foi efectuada com índio

(ΔfusH = 3286 ± 13 J.mol-1

).[93][94]

O programa para a análise das curvas de DSC foi o Pyris Thermal Analys System. As

cápsulas utilizadas apresentavam uma capacidade de 30 µl. As amostras foram submetidas a



61

ciclos de aquecimento/arrefecimento entre 25 a 75 ou 170 ˚C com uma velocidade de

varrimento de 10 ˚C.min-1

. Como material de referência utilizou-se uma célula de alumínio

vazia.

5.2.5 Medidas fotofísicas do estado estacionário

Os estudos de fluorescência do estado estacionário foram realizados utilizando um

espectrómetro Horiba-Jobin-Yvon SPEX Fluorolog 3-22, utilizando uma célula de quartzo

de 4 faces transparentes com 1 cm de largura. Os espectros de fluorescência foram feitos,

usando soluções diluídas e corrigidos automaticamente em função do comprimento de onda

do sistema.

Os rendimentos quânticos de luminescência foram determinados utilizando rodamina

6G (ϕF (470 – 555 nm) = 0,88) em etanol como referência.[95]

Equação 4

5.2.6 Voltametria cíclica

As experiências de voltametria cíclica foram executadas com um Instruments

Electrochemical Analyzer, a uma velocidade de varrimento de 50 mV.s-1

, utilizando uma

configuração de três electrodos: eléctrodo de trabalho, carbono vítreo, electrodo de

referência, Ag/AgCl, e contra eléctrodo, fio de platina. Como padrão interno, foi utilizado o

ferroceno. Os estudos foram realizados em 1,2-dicloroetano desoxigenado contendo 0,1 M

de TBATFB como electrólito. As energias de orbitais de fronteira foram calculadas a partir

dos dados da voltametria cíclica utilizando as correlações de Bredas, expressas por:[96]

Equação 5

Equação 6

5.2.7 Preparação das células fotovoltaicas e medições de voltagem-corrente

Para a preparação das camadas activas, dissolveram-se os Bodipy’s e o PCBM em

1,2-diclorobenzeno, e agitou-se durante aproximadamente 2 horas à temperatura de 60 ºC.

Na preparação das células, revestiram-se substratos de vidro com óxido de

índio-estanho, ITO, sendo posteriormente limpas com acetona e 2-propanol e secas com ar



62

comprimido. De seguida, os slides foram revestidos com uma camada de PEDOT-PSS com

centrifugação a 1800 rpm durante 50 segundos. Deixaram-se secar os slides no escuro a uma

temperatura de 120 ºC durante 10 minutos. A camada activa foi depositada com

centrifugação a 1200 rpm durante 60 segundos, figura 51. Deixaram-se os slides a secar em

vácuo seguido da deposição térmica de alumínio sob vácuo, figura 52. As áreas activas dos

células são de 16 mm2.

As medições de tensão-corrente foram realizadas usando uma fonte de medição K2400,

tanto no escuro quer sob iluminação, utilizando um simulador solar Oriel. O poder do

simulador solar foi determinado utilizando uma célula solar de silício calibrada. A resposta

espectral de cada célula foi determinada combinando uma fonte de luz (lâmpada de

halogéneo) e um monocromador. O sistema foi calibrado utilizando um fotodíodo de sílicio.

Figura 51: Aplicação da camada activa nos slides (spin-coating).



63

Figura 52: Deposição térmica de alumínio sob vácuo nos slides.

5.3 Métodos de síntese de aldeídos

5.3.1 Composto (1) - Ald-OH

O Ald-OH, 3,5-dihydroxybenzaldehyde, foi adquirido à Aldrich Inc. e corresponde ao

composto (1).

O 1H-RMN foi apresentado na página 26, DSC na página 30 e o FTIR-ATR na página

32.



64

5.3.2 Composto (2) - Ald-C12

Para a síntese do Ald-C12 utilizou-se um balão de fundo redondo de 500 ml, no qual se

adicionou 40 ml de butatona, previamente desoxigenada com fluxo de azoto durante

30 minutos, 0,507 g (3,67x10-3

mol) de 3,5-dihydroxybenzaldehyde e 5,020 g

(3,63x10-2

mol, 9,89 equivalentes) de carbonato de potássio. A mistura permaneceu em

agitação e com temperatura até atingir os 80 °C. Ao atingir os 80 °C, adicionou-se 6,013 g

(2,41x10-2

mol, 6,57 equivalentes) de 1-bromododecano e deixou-se a reagir por 22 horas e

20 minutos a 83 °C. A reacção foi controlada através de TLC utilizando-se como eluente

DCM e n-hexano numa razão de 1:1.

No final da reacção, procedeu-se à filtração tendo-se adicionado aproximadamente

100 ml de DCM para facilitar a filtragem. Realizou-se uma evaporação, no evaporador

rotativo, para remover o DCM em excesso e a butanona. Posteriormente fez-se uma lavagem

para remoção do bromo por extração com DCM e lavando a fase orgânica com H2O

destilada e uma solução saturada de NaCl, alternadamente. A fase orgânica foi seca com

Na2SO4 anidro, filtrada e posteriormente realizou-se nova evaporação para remoção do

excesso de solvente. Por fim, realizou-se uma coluna cromatográfica para separar as

diferentes fases obtidas na fase orgânica, onde se utilizou como eluente inicial n-hexano,

sendo posteriormente adicionando DCM até atingir uma razão de 1:2, respectivamente. Foi

obtida uma fracção, composto (2), sobre a qual se realizou evaporação e levou-se a

precipitar com etanol. Filtrou-se e obtiveram-se 0,735 g que corresponde a um rendimento

de 42 %.

O 1H-RMN foi apresentado na página26, DSC na página 30 e o FTIR-ATR na página

32.



65

5.3.3 Composto (3) - Ald-C12Br

Para a síntese do Ald-C12Br utilizou-se um balão de fundo redondo de 500 ml, no qual

se adicionou 40 ml de butatona, previamente desoxigenada com fluxo de azoto durante

30 minutos, 0,503 g (3,64x10-3

mol) de 3,5-dihydroxybenzaldehyde e 5,075 g

(3,67x10-2

mol, 10,08 equivalentes) de carbonato de potássio. A mistura permaneceu em

agitação e com temperatura até atingir os 80 °C. Ao atingir os 80 °C, adicionou-se 8,060 g

(2,46x10-2

mol, 6,74 equivalentes) de 1,12-dibromododecano e deixou-se a reagir por

23 horas a 82 °C. A reacção foi controlada através de TLC utilizando-se como eluente DCM

e n-hexano numa razão de 1:1.

No final da reacção, procedeu-se à filtração tendo-se adicionado cerca de 100 ml de

DCM para facilitar a filtragem. Realizou-se uma evaporação, para remover o DCM em

excesso e a butanona. Posteriormente fez-se uma lavagem para remoção do bromo por

extração com DCM e lavando a fase orgânica com H2O destilada e uma solução saturada de

NaCl, alternadamente. A fase orgânica foi seca com Na2SO4 anidro, filtrada e

posteriormente evaporada para remoção do excesso de solvente. Por fim, realizou-se uma

coluna cromatográfica para separar as diferentes fases obtidas na fase orgânica, onde se

utilizou como eluente inicial n-hexano, sendo acrescentado progressivamente DCM até

concluir a coluna com DCM, unicamente. Obteve-se uma fracção, composto (3), a qual se

evaporou e se levou a precipitar com etanol. Filtrou-se e obtiveram-se 0,661 g que

corresponde a um rendimento de 29 %.

O 1H-RMN foi apresentado na página 26, COSY na página 27, DSC na página 30 e o

FTIR-ATR na página 32.



66

5.3.4 Composto (4) - Ald-Catiónico

Para a síntese do Ald-Catiónico utilizou-se um balão de fundo redondo de 100 ml, ao

qual se adicionou 0,099 g de Ald-C12Br (1,565x10-4

mol), anteriormente sintetizado,

0,350 ml de trietilamina (2,511x10x-3

mol, 16,05 equivalentes) e 11 ml de DCM. A solução

permaneceu em agitação a uma tempetarura de 43 ˚C durante 44 horas. A reacção foi

controlada através de TLC utilizando-se como eluente DCM.

No final da reacção, apenas havia sólido no balão, o qual foi lavado com DCM e H2O

destilada. A fase orgânica foi seca com Na2SO4 anidro, filtrada e posteriormente realizou-se

uma evaporação para remoção do excesso de solvente. Por fim, realizou-se uma coluna

cromatográfica para separar as diferentes fases obtidas na fase orgânica, onde se utilizou

como eluente inicial DCM para remover o Ald-C12Br que não reagiu, seguido de uma

mistura de H2O/NaCl (aq/saturada)/acetonitrilo, numa razão de 1:1:8, para remover o produto

desejado. Foi obtida uma fracção, composto (4), sobre a qual se realizou uma evaporação,

tendo o composto precipitado no balão. Obtiveram-se 0,133 g que corresponde a um

rendimento de 90 %.

O 1H-RMN foi apresentado na página 28, DSC na página 30 e o FTIR-ATR na página

33.



67

5.4 Métodos de síntese de BODIPY’s

5.4.1 Composto (5) - Bodipy-OH

Para a sintetise do Bodipy-OH, utilizou-se um balão de fundo redondo de 500 ml, ao

qual foi adicionado 0,296 g (2,14x10-3

mol) de Ald-OH, 200 ml de acetonitrilo, 5 ml de THF

e 0,750 ml (5,56x10-3

mol, 2,6 equivalentes) de 3-etil-2,4-dimetilpirrole. A mistura ficou sob

agitação num banho de gelo e com atmosfera de azoto durante 1 hora. De seguida,

adicionaram-se 3 gotas de ácido trifluoroacético e deixou-se a reacção reagir durante a noite,

por mais 18 horas e 15 minutos. Adicionou-se 0,435 g (1,92x10-3

mol, 0,90 equivalente) de

2,3-dicloro-5,6-dicyano-p-benzoquinona e deixou-se reagir por mais 7 horas. Por fim,

acrescentou-se 5 ml (2,87x10-2

mol, 13,41 equivalentes) de N,N-diisopropiletilamina e 5 ml

(4,05x10-2

mol, 18,92 equivalentes) de eterato de trifluoreto de boro. Deixando-se a reagir

com agitação num banho de gelo com atmosfera de azoto por 22 horas. A reacção foi

controlada através de TLC utilizando-se DCM e éter de petróleo numa razão de 2:1 como

eluente.

No final da reacção adicionou-se um pouco de acetonitrilo para dissolver o precipitado

existente no balão, seguido de uma evaporação para remoção do excesso de acetonitrilo. Em

seguida, procedeu-se à lavagem por extração com DCM e lavando a fase orgânica com H2O

destilada e uma solução saturada de NaCl, alternadamente. A fase orgânica foi seca com

Na2SO4 anidro, filtrada e evaporada para remoção do excesso de solvente. Ao evaporar a

fase orgânica, esta formava precipitado que foi dissolvido em ~10 ml de metanol. De modo

a separar as fases obtidas, realizou-se separação por placas, uma vez que, as bandas obtidas

eram muito próximas. A eluição das placas foi realizada em duas etapas, primeiramente

eluíram-se com DCM e éter de petróleo numa razão de 2:1, respectivamente, de seguida



68

eluíram-se com DCM e THF numa razão de 9:1, respectivamente. Obteve-se uma fracção,

composto (5), que se levou a evaporar, tendo posteriormente originado um sólido.

Obtiveram-se 0,131 g que corresponde a um rendimento de 15 %.

O 1H-RMN foi apresentado na página 38, FTIR-ATR na página 43 e a fluorescência na

página 45.

UV-Vis: λmáx (nm) (ε [M-1

.cm-1

]) em etanol: 522 (6,52 x 104).

5.4.2 Composto (6) - Bodipy-C12

Na sintese do Bodipy-C12 utilizou-se um balão de fundo redondo de 500 ml, no qual se

adicionou, 0,305 g (6,42x10-4

mol) de Ald-C12, previamente sintetizado em 4.3.1, 150 ml de

DCM e 0,200 ml (1,48x10-3

mol, 2,31 equivalentes) de 3-etil-2,4-dimetilpirrole. A mistura

permaneceu em agitação e com atmosfera de azoto durante 2 horas. Posteriormente

adicionou-se 2 gotas de ácido trifluoroacético e deixou-se a reagir durante a noite, um

período de 19 horas. De seguida, adicionou-se 0,107 g (4,71x10-4

mol, 0,73 equivalentes) de

2,3-dicloro-5,6-dicyano-p-benzoquinona e deixou-se reagir por 4 horas e 30 minutos. Para

finalizar, acrescentaram-se 2 ml (1,15x10-2


N,N-diisopropiletilamina e 2 ml (1,62x10-2

mol, 25,22 equivalentes) de eterato de trifluoreto

de boro. Deixou-se a reagir com agitação em atmosfera de azoto por 29 horas. A reacção foi

controlada através de TLC usando-se DCM e éter de petróleo numa proporção de 2:1 como

eluente.

No final da reacção realizou-se uma evaporação para remover o excesso de DCM.

Sendo de seguida realizada uma lavagem por extração com DCM e lavando a fase orgânica

com H2O destilada e uma solução saturada de NaCl, alternadamente. A fase orgânica foi



69

seca com Na2SO4 anidro, filtrada e evaporada para remoção do excesso de solvente. Para

finalizar, realizou-se uma coluna cromatográfica para separar as diferentes amostras obtidas

na fase orgânica, tendo-se utilizado como eluente DCM e éter de petróleo numa proporção

de 2:1. Obteu-se uma fracção, composto (6), a qual se levou a evaporar, tendo-se obtido

0,273 g que corresponde a um rendimento de 64 %.

O 1H-RMN foi apresentado na página 38, fluorescência na página 45 e a voltametria

cíclica na página 47.


.cm-1

]) em tolueno: 527 (3,54 x 104).

5.4.3 Composto (7) - Bodipy-C12Br

Para a síntese do Bodipy-C12Br utilizou-se um balão de fundo redondo de 500 ml, ao

qual se adicionou, 0,300 g (4,74x10-4

mol) de Ald-C12Br, anteriormente sintetizado em

4.3.2, 150 ml de DCM e 0,200 ml (1,48x10-3


3-etil-2,4-dimetilpirrole. A mistura ficou em agitação e com atmosfera de azoto durante

1 hora. Posteriormente adicionou-se 2 gotas de ácido trifluoroacético e deixou-se a reagir

durante uma noite. Adicionou-se 0,102 g (4,49x10-4

mol, 0,95 equivalentes) de 2,3-dicloro-

5,6-dicyano-p-benzoquinona e deixou-se reagir por 7 horas. Finalmente acrescentou-se 1 ml

(5,74x10-3

mol, 12,10 equivalentes) de N,N-diisopropiletilamina e 1 ml (8,10x10-3

mol,

17,08 equivalentes) de eterato de trifluoreto de boro. Deixou-se reagir com agitação em

atmosfera azoto por 14 horas e 30 minutos. A reacção foi controlada através de TLC

usando-se DCM e éter de petróleo numa razão de 2:1 como eluente.

No final da reacção realizou-se uma evaporação para remover o excesso de DCM. De

seguida procedeu-se a uma lavagem por extração com DCM e lavando a fase orgânica com

H2O destilada e uma solução saturada de NaCl, alternadamente. A fase orgânica foi seca



70

com Na2SO4 anidro, filtrada e evaporada para remoção do excesso de solvente. Por fim,

realizou-se uma coluna cromatográfica para separar as diferentes amostras obtidas na fase

orgânica, em que se utilizou como eluente DCM e éter de petróleo numa razão de 2:1.

Obteve-se uma fracção, composto (7), a qual se levou a evaporar. Obtiveram-se 0,230 g que

corresponde a um rendimento de 54 %.

O 1H-RMN foi apresentado na página 38, COSY na página 39, fluorescência na página

45 e a voltametria cíclica na página 47.


.cm-1

]) em tolueno: 527 (7,39 x 104).

5.4.4 Composto (8) - Bodipy-Mono-Catiónico

Na síntese do Bodipy-Mono-Catiónico utilizou-se um balão de fundo redondo de 100

ml, ao qual se adicionou 0,047 g de Bodipy-C12Br (7,43x10-5

mol), sintetizado

anteriormente, 0,80 ml de trietilamina (5,74x10-3

mol, 77,25 equivalentes) e 5 ml de DCM. A

solução permaneceu em agitação à temperatura de 45 ˚C durante 64 horas. A reacção foi

controlada através de TLC utilizando como eluente DCM.

No final, procedeu-se à lavagem da reacção com DCM e H2O destilada. A fase orgânica

foi seca com Na2SO4 anidro, filtrada e evaporada para remoção do excesso de solvente. Por

fim, realizou-se uma coluna cromatográfica para separar as diferentes fases obtidas na fase

orgânica, onde se utilizou como eluente inicial DCM para remover o Bodipy-C12Br que não

reagiu, seguido de uma mistura de H2O/NaCl (aq/saturada)/acetonitrilo, numa razão de 1:1:8,

para remover o produto desejado. Foi obtida uma fracção, composto (8), sobre a qual se

realizou uma evaporação, tendo-se obtido 0,061 g que corresponde a um rendimento de

39 %.



71

O 1H-RMN foi apresentado na página 40, COSY na página 41,

19F-RMN na página 42,

fluorescência na página 45 e a voltametria cíclica na página 47.


.cm-1

]) em tolueno: 527 (6,78 x 103).

5.4.5 composto (9) - Bodipy-Catiónico

O Bodipy-Catiónico , composto (9), foi conseguido a partir da síntese na qual se obteve

o Bodipy-Mono-Catiónico, (8), e corresponde a uma segunda fracção obtida, mais polar,

usando como eluente uma mistura de H2O/NaCl (aq/saturada)/acetonitrilo, numa razão de 1:1:8,

correspondendo à última amostra a sair da coluna cromatográfica. Realizou-se uma

evaporação para remover o excesso de solvente, tendo posteriormente, a amostra, originado

um sólido. Este composto apresentava-se impuro.


73

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